Kozmologi so intelektualni popotniki v času. Če pogledamo več milijard let nazaj, lahko ti znanstveniki presenetljivo izsledimo razvoj našega vesolja. V naslednjih eonih je naš kozmos zrasel do tako velike velikosti, da druge strani tega ne vidimo več.
Toda kako je to lahko? Če hitrost svetlobe pomeni kozmično omejitev hitrosti, kako lahko obstajajo področja vesoljskega časa, katerih fotoni so za vedno zunaj našega dosega? In četudi obstajajo, kako vemo, da sploh obstajajo?
Širjenje vesolja
Kot vse v fiziki tudi naše Vesolje stremi k temu, da obstaja v najnižjem možnem stanju energije. Toda okoli 10-36 sekund po velikem udaru inflacijski kozmologi verjamejo, da se je kozmos namesto tega počival v "lažni vakuumski energiji" - nizki točki, ki v resnici ni bila nizka točka. Če pogledamo resnični nadir energije vakuuma, se v vesolju za trenutek vesolje misli, da se je vesolje baloniralo s faktorjem 1050.
Od takrat naprej se je naše Vesolje še naprej širilo, vendar z veliko počasnejšim tempom. Dokaze te širitve vidimo v svetlobi oddaljenih predmetov. Ko se fotoni, ki jih oddaja zvezda ali galaksija, širijo po vesolju, zaradi raztezanja vesolja izgubljajo energijo. Ko fotoni dosežejo nas, so njihove valovne dolžine ponovno spremenjene v skladu z razdaljo, ki so jo prehodili.
Zato kozmologi govorijo o rdečem premiku kot funkciji razdalje tako v prostoru kot času. Svetloba iz teh oddaljenih predmetov potuje tako dolgo, da ko končno vidimo, predmete vidimo tako, kot so bili pred milijardami let.
Volumen Hubble
Rdeča premešana svetloba nam omogoča, da vidimo predmete, kot so galaksije, kakršne so obstajale v daljni preteklosti; vendar ne vidimo vse dogodke, ki so se zgodili v našem vesolju v njegovi zgodovini. Ker se naš kozmos širi, je svetloba iz nekaterih predmetov preprosto predaleč, da bi ga kdaj videli.
Fizika te meje se deloma opira na kos okoliškega vesolja, ki se imenuje Hubblejev volumen. Tu na Zemlji določimo glasnost Hubbleja tako, da izmerimo nekaj, kar imenujemo Hubblejev parameter (H0), vrednost, ki navidezno hitrost recesije oddaljenih predmetov poveže z njihovim rdečim premikom. Najprej so ga izračunali leta 1929, ko je Edwin Hubble odkril, da se oddaljene galaksije odmikajo od nas s hitrostjo, ki je sorazmerna rdečemu premiku njihove svetlobe.
Delitev hitrosti svetlobe s H0, dobimo Hubble zvezek. Ta sferični mehurček zajema območje, kjer se vsi predmeti odmaknejo od osrednjega opazovalca s hitrostjo, manjšo od svetlobne hitrosti. V skladu s tem se vsi predmeti zunaj glasnosti Hubble odmaknejo od središčahitreje kot hitrost svetlobe.
Da, "hitreje od svetlobne hitrosti." Kako je to mogoče?
Čar relativnosti
Odgovor se nanaša na razliko med posebno relativnostjo in splošno relativnostjo. Posebna relativnost zahteva tisto, kar imenujemo "inercijski referenčni okvir" - bolj preprosto ozadje. Po tej teoriji je hitrost svetlobe enaka, če jo primerjamo v vseh inercialnih referenčnih okvirih. Ne glede na to, ali opazovalec še vedno sede na klopi v parku na planetu Zemlja ali približuje Neptunu v futuristični raketni ladji za visoke hitrosti, je hitrost svetlobe vedno enaka. Foton vedno potuje stran od opazovalca s 300.000.000 metrov na sekundo in nikoli ne bo dohitel.
Splošna relativnost pa opisuje samo tkivo vesolja. V tej teoriji ni inercialnega referenčnega okvira. Prostor se ne širi glede na nič zunaj sebe, zato hitrost svetlobe kot meja njene hitrosti ne velja. Da, galaksije zunaj naše Hubble sfere se od nas odmikajo hitreje od hitrosti svetlobe. Toda same galaksije ne kršijo nobenih kozmičnih omejitev hitrosti. Za opazovalca znotraj ene od teh galaksij nič ne krši posebne relativnosti. Prostor med nami in tistimi galaksijami se hitro širi in razteza eksponentno.
Opazovalno vesolje
Zdaj za naslednjo bombo: Obseg Hubbla ni isto kot opazovani Vesolje.
Če želite to razumeti, upoštevajte, da ima oddaljena svetloba več časa, ko doseže naše detektorje tukaj, na Zemlji. Lahko vidimo predmete, ki so pospešili preko naše sedanje glasnosti Hubble, ker je svetloba, ki jo vidimo danes, oddajala, ko so bili znotraj nje.
Strogo gledano, naše opazovano Vesolje sovpada z nečim, imenovanim obzorje delcev. Obzorje delcev označuje razdaljo do najbolj oddaljene svetlobe, ki jo lahko v tem trenutku opazimo - fotone, ki so imele dovolj časa, da ostanejo znotraj naše nežno razširjajoče se Hubblove sfere.
In le kakšna je ta razdalja? Nekaj več kot 46 milijard svetlobnih let v vsako smer - našemu opazovanemu Vesolju je dal premer približno 93 milijard svetlobnih let ali več kot 500 milijard trilijonov milj.
(Hitro opombo: obzorje delcev ni isto kot kozmološki dogodek dogodkov. Obzorje delcev zajema vse dogodke v preteklosti, ki jih lahko trenutno vidimo. Obzorje kozmoloških dogodkov na drugi strani določa razdaljo, v kateri bo bodoči opazovalec lahko videl takrat starodavno svetlobo, ki jo danes oddaja naš mali kotiček vesoljskega časa.
Z drugimi besedami, obzorje delcev obravnava razdaljo do preteklih predmetov, katerih starodavno svetlobo lahko vidimo danes; kozmološki horizont dogodkov obravnava razdaljo, ki jo naša današnja svetloba, ki bo lahko potovala kot oddaljena področja Vesolja, pospeši stran od nas.)
Temna energija
Zahvaljujoč širitvi Vesolja obstajajo področja kozmosa, ki jih nikoli ne bomo videli, četudi bi lahko čakali neskončno veliko časa, da njihova svetloba doseže nas. Kaj pa je s tistimi območji tik zunaj dosega današnje Hubble? Če se bo tudi ta sfera širila, bomo kdaj lahko videli te mejne predmete?
To je odvisno od tega, katera regija se širi hitreje - Hubble volumen ali deli Vesolja tik zunaj njega. In odgovor na to vprašanje je odvisen od dveh stvari: 1) ali H0 se povečuje ali zmanjšuje in 2) ali Vesolje pospešuje ali upočasnjuje. Ti dve stopnji sta tesno povezani, vendar nista enaki.
V resnici kozmologi verjamejo, da dejansko živimo v času, ko je H0 upada; toda zaradi temne energije se hitrost širjenja vesolja povečuje.
To se morda sliši kontratuktivno, toda dokler je H0 zmanjšuje počasneje oceniti kot pri tisti, pri kateri se hitrost širjenja vesolja povečuje, se celotno gibanje galaksij stran od nas še vedno odvija s pospešenim tempom. In v tem trenutku kozmologi verjamejo, da bo širitev vesolja prehitela skromnejšo rast obsega Hubbleja.
Čeprav se naš Hubble obseg širi, se zdi, da vpliv temne energije zagotavlja trdo mejo za vedno večje opazovano vesolje.
Naše zemeljske omejitve
Zdi se, da kozmologi dobro rešujejo globoka vprašanja, kot je, kako bo nekoč izgledalo naše opazovano Vesolje, in kako se bo spremenilo širjenje kozmosa. Toda navsezadnje lahko znanstveniki odgovore na vprašanja o prihodnosti teoretizirajo le na podlagi današnjega razumevanja vesolja. Kozmološki časovni okviri so tako nepredstavljivo dolgi, da je nemogoče povedati kaj konkretnega o tem, kako se bo Vesolje obnašalo v prihodnosti. Današnji modeli izjemno dobro ustrezajo trenutnim podatkom, resnica pa je, da nihče od nas ne bo živel dovolj dolgo, da bi videl, ali se napovedi resnično ujemajo z vsemi rezultati.
Razočaranje? Seveda. Ampak povsem vredno truda, da bi pomagali našim ujetnim možganom, da razmislijo o takšni znanosti, ki se ukvarja s pisanjem blogov - resničnost, ki je, kot ponavadi, čisto tuja od fantastike.
