Ako se Svemir širi, možemo shvatiti zašto udaljene galaksije odstupaju od nas kao i oni. Ali zašto se onda ne šire zvijezde, planeti, pa čak ni atomi? (C. FAUCHER-GIGUÈRE, A. LIDZ i L. HERNQUIST, SCIENCE 319, 5859 (47))

Zbog toga se ne širimo, čak i ako svemir jest

Svemir se širi, ali mi, naš planet, sunčev sustav i galaksija, nismo. Evo zašto.

Pogledajte gotovo bilo koju galaksiju u Svemiru i vidjet ćete da se udaljava od nas. Što je udaljenija, to se brže čini kako se povlači. Dok svjetlost putuje Svemirom, ono se pomiče na duže i crvene valne duljine, kao da se tkanina samog prostora proteže. Na najvećim udaljenostima, galaksije se tako brzo šireći svemir guraju daleko da nikada niti jedan signal koji možemo poslati ne stigne do njih.

No, iako se tkanina prostora širi po cijelom Svemiru - svuda i u svim smjerovima - mi to nismo. Naši atomi ostaju iste veličine. Isto vrijedi i za planete, mjesece i zvijezde, kao i udaljenosti koje ih razdvajaju. Ni galaksije u našoj Lokalnoj grupi ne šire se jedna od druge; umjesto toga gravitiraju jedni drugima. Evo ključa za razumijevanje onoga što se (a što nije) širi u našem svemiru koji se širi.

Izvorna koncepcija prostora, zahvaljujući Newtonu, kao fiksnoj, apsolutnoj i nepromjenjivoj. Bila je to faza u kojoj su mase mogle postojati i privlačiti. (AMBER STUVER, S NJEGA BLOG, ŽIVI LIGO)

Prvo što moramo shvatiti je što je naša teorija gravitacije i kako se ona razlikuje od načina na koji to intuitivno mislite. Većina nas razmišlja o prostoru kao što je to činio Newton: kao fiksni, nepromjenjivi niz koordinata na koje možete smjestiti svoje mase. Kad je Newton prvi put zamislio svemir, zamislio je prostor kao mrežu. Bila je to apsolutna, nepokretna cjelina ispunjena masama koje su gravitacijski privlačile jedna drugu.

Ali kad je Einstein došao zajedno, prepoznao je da ta zamišljena mreža nije fiksirana, nije apsolutna i uopće nije onakva kakvu je Newton zamišljao. Umjesto toga, ova mreža bila je poput tkanine, a sama tkanina je bila zakrivljena, iskrivljena i prisiljena evoluirati s vremenom prisutnošću materije i energije. Štoviše, materija i energija unutar nje određivali su zakrivljenost ove prostorne tkanine.

Izvijanje svemira, na Općoj relativističkoj slici, gravitacijskim masama. Umjesto stalne, nepromjenjive rešetke, Opća relativnost prihvaća prostor vremenske tkanine koji se može vremenom mijenjati i čija će se svojstva činiti različitim promatračima s različitim pokretima i na različitim mjestima. (LIGO / T. PYLE)

Ali ako bi sve što ste imali u svom svemirskom vremenu bila gomila masa, one bi se neminovno srušile u crnu rupu koja bi implotirala cijeli Svemir. Einsteinu se ta ideja nije svidjela, pa je dodao "popravak" u obliku kozmološke konstante. Da je postojao dodatni izraz - koji predstavlja dodatni oblik energije koji prožima prazan prostor - mogao bi odbiti sve ove mase i zadržati Svemir statičkim. Spriječio bi gravitacijski kolaps. Dodavanjem ove dodatne osobine, Einstein je mogao učiniti da Svemir postoji u gotovo konstantnom stanju cijelu vječnost.

Ali nisu svi bili toliko upleteni u ideju da Svemir mora biti statičan. Jedno od prvih rješenja bio je fizičar po imenu Alexander Friedmann. Pokazao je da ako ne dodate ovu ekstra kosmološku konstantu i ako imate Svemir koji je bio ispunjen bilo čime energetskim - materijom, zračenjem, prašinom, tekućinom itd. - postoje dvije klase rješenja: jedno za svemir koji ugovara ugovor i jedan za svemir koji se širi.

Model „kruh od grožđica“ u svemiru koji se širi, gdje se relativne udaljenosti povećavaju kako se prostor (tijesto) širi. Što su daljnje dvije grožđice jedna od druge, to će veći promatrani crveni pomak biti primljen od trenutka prijema ovog svjetla. (NASA / WMAP SCIENCE TEAM)

Matematika vam govori o mogućim rješenjima, ali morate potražiti fizički Svemir da biste pronašli koje od ovih nas opisuje. Do toga je došlo 1920-ih, zahvaljujući radu Edwina Hubblea. Hubble je prvi otkrio da se pojedine zvijezde mogu mjeriti u drugim galaksijama određujući njihovu udaljenost.

Rad s Vestom Slipher gotovo se poklapao s tim. Atomi djeluju isto svugdje u Svemiru: apsorbiraju i emitiraju svjetlost određenim, specifičnim frekvencijama koje ovise o tome kako su njihovi elektroni pobuđeni ili isključeni. Kad je gledao te udaljene objekte - za koje sada znamo da su to druge galaksije - njihovi su atomski potpisi pomaknuti na veće valne duljine nego što se moglo objasniti.

Kada su znanstvenici kombinirali ta dva promatranja, iskočio je nevjerojatan rezultat.

Grafikon prividne brzine ekspanzije (osi y) u odnosu na udaljenost (x-os) je u skladu sa Svemirom koji se proširio brže, ali se i danas širi. Ovo je moderna verzija, koja se proteže tisućama puta dalje od Hubbleovog izvornog djela. Različite krivulje predstavljaju Svemire načinjene od različitih sastavnih dijelova. (NED Wright, Temeljeno na posljednjim podacima iz Betolea ET AL. (2014))

Postojala su samo dva načina da se to shvati. Ili:

  1. sva relativnost nije bila u redu, bili smo u središtu Svemira i sve se simetrično odmaklo od nas, ili
  2. relativnost je bila u pravu, Friedmann je bio u pravu, a što je udaljenija galaksija od nas, u prosjeku je to brže izgledalo kako se povlači iz naše perspektive.

Jednim naletom Svemir koji se širi prešao je od ideje do vodeće ideje koja opisuje naš Univerzum. Način na koji ekspanzija djeluje pomalo je kontratuktivan. Kao da se tkanina samog prostora vremenom rastegne, a svi se predmeti u tom prostoru odvlače jedan od drugog.

Što je predmet udaljeniji od drugog, to se više „isteže“ i tako se čini da se brže od njih uklanja. Da je svemir bio Svemir ispunjen jednolično i ravnomjerno materijom, ta se stvar jednostavno gubila i vidjela bi da se sve proširuje dalje od svega ostatka vremena.

Fluktuacije hladnoće (prikazane plavom bojom) u CMB-u nisu inherentno hladnije, već predstavljaju područja u kojima postoji veće gravitacijsko povlačenje zbog veće gustoće materije, dok su vruće točke (u crvenoj boji) samo toplije jer je zračenje u ta regija živi u plićem gravitacijskom bunaru. S vremenom će prenapučena područja znatno vjerojatnije prerasti u zvijezde, galaksije i grozdove, dok će manje gustoća to učiniti. (EM HUFF, TIM SDSS-III I TELESKOPNI TIM ZA JUŽNU POLU; GRAFIKA ZOSIA ROSTOMIAN)

Ali svemir nije savršeno ujednačen i ujednačen. Ima prenapučene regije, poput planeta, zvijezda, galaksija i grozdova galaksija. Ima prenapučena područja, poput velikih kozmičkih praznina u kojima gotovo uopće nema masivnih objekata.

Razlog za to je da u igri postoje i drugi fizički fenomeni, osim širenja Univerzuma. Na malim mjerilima, poput ljestvica živih bića i ispod njih, dominiraju elektromagnetske i nuklearne sile. Na većim mjerilima, poput planeta, solarnog sustava i galaksija, dominiraju gravitacijske sile. Velika konkurencija događa se na najvećim mjerilima svih - na ljestvici cijelog Svemira - između širenja Svemira i gravitacijskog privlačenja sve materije i energije prisutne u njemu.

Na najvećim mjerilima, Svemir se širi i galaksije se povlače jedna od druge. Ali na manjim mjerilima gravitacija prevladava širenje što dovodi do stvaranja zvijezda, galaksija i nakupina galaksija. (NASA, ESA i A. FEILD (STSCI))

Širenje na najvećim ljestvicama svih pobjeđuje. Najudaljenije se galaksije šire tako brzo da ih niti jedan signal koji šaljemo, čak ni brzinom svjetlosti, nikada neće stići do njih.

Superklasteri Svemira - te duge, nitaste strukture naseljene galaksijama i protežu se više od milijardu svjetlosnih godina - protežu se i razdvajaju širenjem Svemira. U relativno kratkom roku, tijekom sljedećih nekoliko milijardi godina, oni će prestati postojati. Čak ni najbliži veliki galaksatski klaster Mliječnog puta, Djevica, udaljen samo 50 milijuna svjetlosnih godina, nikada nas neće povući u njega. Unatoč gravitacijskom povlačenju koje je više od tisuću puta snažnije od našeg, širenje Svemira će sve ovo razdvojiti.

Velika zbirka od više tisuća galaksija čini naše susjedstvo u roku od 100 000 000 svjetlosnih godina. Klaster Djevica ostat će vezan zajedno, ali Mliječni put će se nastaviti širiti dalje od njega kako vrijeme prolazi. (WIKIMEDIA COMMONS KORISNIK ANDREW Z. COLVIN)

Ali postoje i manja mjerila gdje je širenje prevladalo, barem lokalno. Mnogo je lakše poraziti širenje Svemira na manjim mjerilima udaljenosti, jer gravitacijska sila ima više vremena za rast prenapučenih područja na manjim mjerilima nego na većim.

U blizini će i sama nakupina Djevice ostati gravitaciono vezana. Mliječni put i sve galaksije lokalnih skupina ostat će povezane zajedno, na kraju se stapajući pod njihovom vlastitom gravitacijom. Zemlja će se vrtjeti oko Sunca na istoj orbitalnoj udaljenosti, sama će Zemlja ostati iste veličine, a atomi koji čine sve na njemu neće se proširiti.

Zašto? Jer širenje Svemira ima samo učinak tamo gdje ga još nije svladala druga sila - bila ona gravitaciona, elektromagnetska ili nuklearna. Ako neka sila može uspješno držati objekt zajedno, čak i svemir koji se širi neće utjecati na promjenu.

Sustav TRAPPIST-1 u usporedbi s planetima Sunčevog sustava i mjesecima Jupiterom. Orbite svega što je ovdje prikazano ne mijenjaju se s širenjem Svemira, uslijed sile sile vezivanja koja nadvladava bilo koje efekte tog širenja. (NASA / JPL-CALTECH)

Razlog za to je suptilan i povezan je s činjenicom da sama ekspanzija nije sila, već brzina. Prostor se stvarno još uvijek širi na svim mjerilima, ali širenje utječe samo na stvari kumulativno. Postoji određena brzina na kojoj će se prostor proširiti između bilo koje dvije točke, ali tu brzinu morate usporediti sa brzinom bijega između ta dva objekta, što je mjera koliko su čvrsto ili lagano povezani.

Ako sila koja te objekte veže zajedno veća je od brzine širenja pozadine, neće se povećavati udaljenost između njih. Ako nema povećanja udaljenosti, nema učinkovite ekspanzije. U svakom trenutku više je nego suprotstavljeno, pa nikada ne postigne aditivni učinak koji se pojavljuje između nevezanih objekata. Kao rezultat toga, stabilni, vezani predmeti mogu preživjeti nepromijenjeni vječno u Svemiru koji se širi.

Bez obzira na to je li vezana gravitacijom, elektromagnetizmom ili bilo kojom drugom silom, veličine stabilnih, spuštenih objekata neće se promijeniti ni dok se svemir širi. Ako uspijete prevladati kozmičku ekspanziju, ostat ćete zauvijek vezani. (NASA, ZEMLJA I MAROVI DO ISPITIVANJA)

Dok Svemir posjeduje svojstva koja mi mjerimo, to će ostati zauvijek. Tamna energija može postojati i uzrokovati da se udaljene galaksije ubrzavaju od nas, ali učinak širenja kroz fiksnu udaljenost nikada se neće povećati. Samo u slučaju kozmičkog "Velikog otkida" - kojem dokazi ukazuju, a ne prema njemu - ovaj će se zaključak promijeniti.

Sama tkanina prostora možda se još uvijek širi svuda, ali nema mjerljiv učinak na svaki predmet. Ako vas neka sila veže dovoljno snažno, svemir koji se širi neće imati utjecaja na vas. Širenje se uopće događa samo na najvećim mjerilima svih, gdje su sve sile vezivanja između objekata preslabe da bi pobijedile brzinu Hubblea. Kao što je fizičar Richard Price jednom rekao, „Vaš se struk može širiti, ali ne možete ga kriviti za širenje svemira.“

Starts With A Bang je sada na Forbesu, a objavljen je na Mediumu zahvaljujući našim pristalicama Patreona. Ethan je autor dvije knjige, Beyond The Galaxy i Treknology: The Science of Star Trek od Tricorders do Warp Drive-a.