Kosmologi ir intelektuālā laika ceļotāji. Atskatoties uz miljardiem gadu, šie zinātnieki pārsteidzošos sīkumos spēj izsekot mūsu Visuma evolūcijai. Nākamajos mūžos mūsu kosmoss ir pieaudzis līdz tik milzīgam lielumam, ka mēs vairs nevaram redzēt tā otru pusi.
Bet kā tas var būt? Ja gaismas ātrums iezīmē kosmisko ātruma ierobežojumu, kā var būt tādi kosmosa laika reģioni, kuru fotoni ir mūžīgi nepieejami? Un pat ja ir, kā mēs zinām, ka tie vispār pastāv?
Paplašinošais Visums
Tāpat kā viss pārējais fizikā, arī mūsu Visums cenšas pastāvēt pēc iespējas zemākā enerģijas stāvoklī. Bet ap 10-36 sekundes pēc lielā sprādziena inflācijas kosmologi uzskata, ka kosmoss atrodas tā vietā, lai atpūstos pie “viltus vakuuma enerģijas” - zemā punkta, kas patiesībā nebija zemākais punkts. Meklējot patieso vakuuma enerģijas zemāko robežu, vairāk nekā minūtes mirkļa laikā, domājams, ka Visums ir balonējis ar koeficientu 1050.
Kopš tā laika mūsu Visums turpināja paplašināties, bet daudz lēnāk. Mēs redzam pierādījumus par šo paplašināšanos, ņemot vērā tālu objektus. Tā kā zvaigznes vai galaktikas izstarotie fotoni izplatās visā Visumā, kosmosa stiepšanās liek tiem zaudēt enerģiju. Kad fotoni ir sasnieguši mūs, to viļņu garumi ir nobīdīti atbilstoši nobrauktajam attālumam.
Tāpēc kosmologi runā par sarkano nobīdi kā attāluma funkciju gan telpā, gan laikā. Gaisma no šiem tālajiem objektiem pārvietojas tik ilgi, ka, beidzot to redzot, mēs redzam objektus tādus, kādi tie bija pirms miljardiem gadu.
Habla skaļums
Sarkani nobīdītā gaisma ļauj mums redzēt objektus, piemēram, galaktikas, kādi tie pastāvēja tālā pagātnē; bet mēs nevaram redzēt visiem notikumi, kas notika mūsu Visumā tā vēstures laikā. Tā kā mūsu kosmoss paplašinās, dažu objektu gaisma ir vienkārši pārāk tālu, lai mēs to kādreiz varētu redzēt.
Šīs robežas fizika daļēji balstās uz apkārtējā kosmosa laika riecienu, ko sauc par Habla tilpumu. Šeit uz Zemes mēs definējam Habla tilpumu, izmērot kaut ko ar Habla parametru (H0), vērtība, kas saista tālu esošo objektu acīmredzamo lejupslīdes ātrumu ar to sarkano nobīdi. Pirmo reizi tas tika aprēķināts 1929. gadā, kad Edvīns Habls atklāja, ka tālās galaktikas, šķiet, virzās prom no mums ar ātrumu, kas ir proporcionāls to gaismas sarkano nobīdi.
Gaismas ātrumu dalot ar H0, iegūstam Habla skaļumu. Šis sfēriskais burbulis norobežo reģionu, kurā visi objekti attālinās no centrālā novērotāja ar ātrumu, kas mazāks par gaismas ātrumu. Attiecīgi visi objekti ārpus Habla sējuma virzās prom no centraātrāk nekā gaismas ātrums.
Jā, “ātrāk nekā gaismas ātrums”. Kā tas ir iespējams?
Relativitātes maģija
Atbilde ir saistīta ar atšķirību starp īpašo relativitāti un vispārējo relativitāti. Īpašajai relativitātei ir nepieciešams tā sauktais “inerciālais atskaites rāmis” - vienkāršāk sakot, fons. Saskaņā ar šo teoriju, salīdzinot ar visiem inerciālajiem atskaites kadriem, gaismas ātrums ir vienāds. Neatkarīgi no tā, vai novērotājs nekustīgi sēž uz parka sola uz planētas Zeme vai tuvina Neptūnu futūristiskā liela ātruma raķešu kuģī, gaismas ātrums vienmēr ir vienāds. Fotons vienmēr novērš attālumu no novērotāja ar ātrumu 300 000 000 metru sekundē, un viņš vai viņa nekad to nenoķers.
Vispārējā relativitāte tomēr apraksta pašu kosmosa laika audumu. Šajā teorijā nav inerciāla atskaites rāmja. Kosmosa laiks nepaplašinās attiecībā uz jebko, kas atrodas ārpus sevis, tāpēc gaismas ātrums kā tā ātruma ierobežojums netiek piemērots. Jā, galaktikas ārpus mūsu Habla sfēras atkāpjas no mums ātrāk nekā gaismas ātrums. Bet pašas galaktikas nepārkāpj kosmiskā ātruma ierobežojumus. Novērotājam vienā no šīm galaktikām nekas vispār nepārkāpj īpašo relativitāti. Tā ir telpa starp mums un tām galaktikām, kas strauji izplatās un eksponenciāli stiepjas.
Novērojamais Visums
Tagad par nākamo bumbu: Habla skaļums nav tas pats, kas novērojamais Visums.
Lai to saprastu, ņemiet vērā, ka, Visumam kļūstot vecākam, tālai gaismai ir vairāk laika, lai sasniegtu mūsu detektorus šeit, uz Zemes. Mēs varam redzēt objektus, kas ir paātrinājušies ārpus mūsu pašreizējā Habla skaļuma, jo šodien redzamā gaisma tika izstarota, kad viņi atradās tajā.
Stingri sakot, mūsu novērojamais Visums sakrīt ar kaut ko, ko sauc par daļiņu horizonts. Daļiņu horizonts apzīmē attālumu līdz vistālākajai gaismai, kādu mēs, iespējams, varam redzēt šajā laika brīdī - fotoniem, kuriem ir bijis pietiekami daudz laika, lai paliktu mūsu maigi izplešanās Habla sfērā vai nokļūtu tai līdz.
Un tikai kāds ir šis attālums? Nedaudz vairāk kā 46 miljardi gaismas gadu katrā virzienā - mūsu novērojamā Visuma diametrs ir aptuveni 93 miljardi gaismas gadu vai vairāk nekā 500 miljardi triljonu jūdžu.
(Ātra piezīme: daļiņu horizonts nav tas pats, kas kosmoloģisko notikumu horizonts. Daļiņu horizonts aptver visus pagātnes notikumus, ko mēs šobrīd varam redzēt. Savukārt kosmoloģisko notikumu horizonts nosaka attālumu, kurā nākamais novērotājs varēs redzēt toreiz seno gaismu, kuru šodien izstaro mūsu mazais kosmosa laika stūrītis.
Citiem vārdiem sakot, daļiņu horizonts attiecas uz attālumu līdz pagātnes objektiem, kuru seno gaismu mēs varam redzēt šodien; kosmoloģisko notikumu horizonts attiecas uz attālumu, ko mūsu šodienas gaisma, kas spēs nobraukt, tālajiem Visuma reģioniem paātrinoties prom no mums.)
Tumšā enerģija
Pateicoties Visuma izplešanās, ir daži kosmosa reģioni, kurus mēs nekad neredzēsim, pat ja mēs varētu gaidīt bezgalīgu laiku, kamēr viņu gaisma mūs sasniegs. Bet kā ir ar tām teritorijām, kuras atrodas tālu ārpus mūsu mūsdienu Habla apjoma? Ja šī sfēra arī paplašinās, vai mēs kādreiz varēsim redzēt šos robežas objektus?
Tas ir atkarīgs no tā, kurš reģions paplašinās ātrāk - Habla tilpums vai Visuma daļas tieši ārpus tā. Un atbilde uz šo jautājumu ir atkarīga no divām lietām: 1) vai H0 palielinās vai samazinās, un 2) vai Visums paātrinās vai palēninās. Šīs divas likmes ir cieši saistītas, taču tās nav vienādas.
Faktiski kosmologi uzskata, ka mēs patiesībā dzīvojam laikā, kad H0 samazinās; bet tumšās enerģijas dēļ Visuma izplešanās ātrums palielinās.
Tas var izklausīties pretrunīgi pozitīvs, bet tik ilgi, kamēr H0 samazinās lēnāk likme nekā tas, pie kura palielinās Visuma izplešanās ātrums, galaktiku kopējā kustība prom no mums joprojām notiek paātrinātā tempā. Un šobrīd kosmologi uzskata, ka Visuma paplašināšanās pārsniegs Habla skaļuma pieticīgāko pieaugumu.
Tātad, kaut arī mūsu Habla tilpums paplašinās, šķiet, ka tumšās enerģijas ietekme nodrošina stingru robežu arvien pieaugošajam novērojamajam Visumam.
Mūsu zemes ierobežojumi
Šķiet, ka kosmologiem ir labs risinājums dziļiem jautājumiem, piemēram, kā kādreiz izskatīsies mūsu novērotais Visums un kā mainīsies kosmosa izplešanās. Bet galu galā zinātnieki var tikai teorētiski atbildēt uz jautājumiem par nākotni, balstoties uz viņu mūsdienu izpratni par Visumu. Kosmoloģiskie laika grafiki ir tik neiedomājami ilgi, ka nav iespējams pateikt neko daudz konkrētu par to, kā Visums izturēsies nākotnē. Mūsdienu modeļi ārkārtīgi labi atbilst pašreizējiem datiem, taču patiesība ir tāda, ka neviens no mums nedzīvos pietiekami ilgi, lai redzētu, vai prognozes patiesi atbilst visiem rezultātiem.
Vilšanās? Protams. Bet ir vērts pielikt pūles, lai palīdzētu mūsu sīkajām smadzenēm apsvērt šādu prātu blogojošu zinātni - realitāte, kas, kā parasti, ir vienkārši sveša nekā fantastika.
