A Nagyrobbanás után az Univerzum szinte tökéletesen egységes volt, tele volt anyaggal, energiával és sugárzással egy gyorsan bővülő állapotban. Az idő múlásával az Univerzum nem csak elemeket, atomokat és molekulákat képez, amelyek összerakódnak és csoportosulnak, csillagokhoz és galaxisokhoz vezetnek, hanem az egész idő alatt kibővülnek és lehűlnek. (NASA / GSFC)

Hogyan bővült az univerzum 46 milliárd fényévre mindössze 13,8 milliárd év alatt?

Ha úgy gondolja, hogy gyorsabban bővült, mint a fénysebesség, ezt el kell olvasnia.

Ha az univerzum 13,8 milliárd éves, és a fénysebesség valóban a kozmikus sebességkorlátozás, akkor milyen messze kell látnunk? A válasz nyilvánvalónak tűnik: 13,8 milliárd fényév, mivel egy fényév az a távolság, amelyet a fény egy évben megtehet, és semmi sem mehet gyorsabban.

Sajnos, mint sok olyan válasz, amely nyilvánvalónak tűnik, amikor logikai józan észét alkalmazza rájuk, nem az, ahogy a dolgok valóban működnek. Valójában, ha a lehető legtávolabbi dolgot nézzük meg, és feltehetjük a kérdést, hogy „milyen messze van”, akkor a válasz sokkal távolabbi: 46 milliárd fényév. Lehet, hogy lehetetlennek tűnik, de nem az. Csak ki kell terjesztenie a gondolkodásmódját.

A Newtonnak köszönhető eredeti eredeti térkoncepció rögzített, abszolút és változatlan formában. Olyan szakasz volt, ahol tömegek létezhetnek és vonzódhatnak. (AMBER STUVER, BLOGTÓL, ÉLŐ LIGÓ)

Hagyományosan a távolságot általában úgy gondolja, ha két pontot vesz és vonal húz közöttük. Ez valami olyan, amit megtanulunk gyerekekként megtenni, és felnőttkorban tartani magunkat. A legtöbb alkalmazás esetében ez nem jelent problémát, függetlenül attól, hogy vonalzót, kilométer-számlálót vagy világító órát használunk: ha megmérjük, mennyi időt vesz igénybe egy fényjelzés egyirányú vagy oda-vissza utazáshoz.

De ez a feltételezés nem szigorúan érvényes, amikor az Univerzumra vonatkozik. A távolságot nem feltétlenül határozza meg egy egyenes vonal, és ezek a távolságok sem változnak idővel. Ennek oka valami, amire nem gondolunk a napi tapasztalatunk során: a tér nem sík, és elválaszthatatlanul kapcsolódik az időhöz, a téridő formájában.

A Föld gravitációs viselkedése a Nap körül nem egy láthatatlan gravitációs vonzódás következménye, hanem jobban leírható, ha a Föld szabadon esik át a Nap uralta ívelt térben. A két pont közötti legrövidebb távolság nem egyenes, hanem geodéziai: egy íves vonal, amelyet a téridő gravitációs deformációja határoz meg. (LIGO / T. PYLE)

A „hely nem sima” rész talán könnyebben érthető. Amikor a Nap körül forgó Földre gondol, valószínűleg ugyanúgy gondolkodik, mint Newton: egy láthatatlan, vonzó erő szempontjából, amely az egyik tárgytól (a Nap) egy másiktól (a Föld) hat.

Ilyen módon gondolkodtunk a gravitációról évszázadok óta, és szó szerint Einstein szintjén egy zsenikre került, hogy túlmenjen. Nem az, hogy egy bizonyos távolságra eső tömeg erőt okoz, hanem hogy ez a tömeg egyfajta energia, és az energia a Világegyetem szövetének görbéjéhez vezet. Az Univerzum szövet nem csupán tér, hanem egy téridő néven ismert mennyiség, ahol bárki és bármi más megtapasztalhatja a helyet és az időt együtt, attól függően, hogy hogyan mozognak az univerzum minden másjához viszonyítva.

Egy olyan univerzumban, amely nem bővül, bármilyen tetszőleges konfigurációban feltöltheti az anyaggal, ám ez mindig fekete lyukká alakul. Egy ilyen világegyetem instabil Einstein gravitációjának összefüggésében, és stabilizálódni kell, vagy el kell fogadnunk annak elkerülhetetlen sorsát. (E. SIEGEL / A GALAXY ELŐTT)

Az egyik dolog, amit az Einstein törvényei által szabályozott univerzumról - az általános relativitáselméletről - tanulunk, az az, hogy nem lehet statikus és stabil is, ha van benne anyag. A statikus világegyetem, ahol az űrtartalom teljes szerkezete az idő múlásával nem változik, bajba kerülne, ha az anyagot beletette. Az idő múlásával ez az ügy gravitációs szempontból vonzódna, és egy pont felé húzza magát. Anyaggal töltött statikus univerzumban csak egy lehetséges sors van: a fekete lyukba húzódik.

Ne aggódj; ez nem a sorsunk.

A táguló univerzum „mazsolakenyér” modellje, ahol a relatív távolságok növekednek, amikor a tér (tészta) tágul. Minél távolabb van két mazsola egymástól, annál nagyobb a megfigyelt vöröseltolódás a fény vételének időpontjában. (NASA / WMAP TUDOMÁNY CSOPORT)

Mivel univerzumunk egyetlen dolgot csinál annak megakadályozása érdekében: bővül. A világegyetem elképzelésének legjobb módja egy tésztás vekni egy zéró gravitációs kemencében, ahol a tésztát mazsolával töltik meg.

Minden egyes mazsola gravitációhoz kötött struktúrát képvisel az univerzumban: csillagfürtöt, galaxist, galaxiscsoportot vagy valami még nagyobbat. Minden mazsola nem kötődik más mazsolához; elég messze vannak egymástól, hogy a gravitáció nem hozza össze őket, még egy végtelen idő sem adódik hozzá.

Miért? Mert a tészta emelkedik. És ez a tészta a téridő szövetét képviseli. Az idő múlásával az Univerzum tágul, és úgy tűnik, hogy távoli mazsola (galaxis) távolodik egymástól.

A táguló univerzum ballon / érme analógiája. Az egyes szerkezetek (érmék) nem bővülnek, de a távolságok közöttük egy kiterjedő univerzumban van. Ez nagyon zavaró lehet, ha ragaszkodik ahhoz, hogy a látott tárgyak látszólagos mozgását hozzárendeljük a térbeli relatív sebességükhöz. A valóságban a köztük lévő tér bővül. (E. SIEGEL / A GALAXY ELŐTT)

Ez a legfontosabb pont, amelyet a legtöbb ember számára nehezen lehet megérteni. Az Univerzum terjeszkedése nem egy sebesség. Az Univerzum nem tágul a fény sebességén, a hang sebességén vagy más sebességnél. Ha egy közeli mazsolára nézzen, úgy tűnik, hogy viszonylag lassan távolul el tőled, és egy tőlem küldött fényjelzés csak rövid időt vesz igénybe az odajutáshoz. De ha egy olyan mazsola lenne, amely sokkal távolabb lenne, akkor sokkal gyorsabban fog visszahúzódni. Egy tőlem küldött fényjelzés nagyon hosszú időbe telik, amíg odaér.

Ennek oka az, hogy az Univerzum tágulása attól függ, milyen messze van egy tárgy tőled. Ez nem sebesség; ez egy egységenkénti sebesség.

A sugárzás átvált, amint az Univerzum tágul, vagyis energikusabb volt az univerzum múltjában, fotononként nagyobb mennyiségű energiával. Nem releváns, hogy az univerzumban az anyag uralja-e az anyagot vagy a sugárzást; az vörös váltás valódi. (E. SIEGEL / A GALAXY ELŐTT)

Ez az oka annak, hogy amikor az univerzum mért kiterjedési sebességéről beszélünk - amit néha Hubble-állandónak hívunk -, akkor ilyen furcsa, idegen értékekkel jár: valami olyan, mint ~ 70 km / s / Mpc. Ez azt mondja nekünk, hogy minden megaparsec (Mpc, vagy körülbelül 3,26 millió fényév) galaxis távol van minden más galaxistól, úgy tűnik, hogy 70 km / s sebességgel halad vissza.

Tehát ha egy tárgy jelenleg 100 Mpc-re van tőlünk, úgy tűnik, hogy 7000 km / s sebességgel mozog.

Ha egy tárgy 4300 Mpc-re van tőlünk, úgy tűnik, hogy kb. 300 000 km / s sebességgel vagy a fénysebességgel elmozdul.

És ha egy tárgy 14 100 Mpc-re van tőlünk, akkor úgy tűnik, hogy 987 000 km / s sebességgel elmozdul, ami őrült nagy szám.

A távolság / vöröseltolódás viszonya, beleértve az összes legtávolabbi objektumot is, az Ia típusú szupernóvákból nézve. Az adatok erősen támogatják a gyorsuló univerzumot. Vegye figyelembe, hogy ezek a vonalak különböznek egymástól, mivel megfelelnek a különféle összetevőkből álló univerzumoknak (NED WRIGHT, A BETOULE ÉS ALKAL A LEGUTÓBBI ADATOKRA SZERINT)

De továbbra is azt mondom valamit, amelyet Ön esetleg ragyog: úgy tűnik, hogy ezek a tárgyak ilyen sebességgel elmozdulnak tőlünk. A valóságban maguk a tárgyak sem mozognak, csakúgy, mint a mazsolák nem mozognak a beépített tésztához viszonyítva. Ehelyett az történik, hogy maga a téridő szövet tágul, és az ezekből az objektumokból származó fény egyre feszesebbé válik - hosszabb, vörösebb hullámhosszra -, ahogy az Univerzum tágul.

Ezért beszélünk a távoli tárgyak vöröseltolódásáról: mert világosságuk meghosszabbodik, ahogy az Univerzum szövete tágul. Az univerzum anyag és az energia sűrűsége határozza meg, hogy az Univerzum milyen gyorsan terjed, és össze kell vonnunk az összes különféle energiát, beleértve a neutrinókat, a sugárzást, a sötét anyagot és a sötét energiát, hogy a helyes választ kapjuk.

Nem csupán az, hogy a galaxisok elmozdulnak tőlünk, az okozza a vöröseltolódást, hanem az, hogy a köztünk és a galaxisban lévő tér újravilágítja a fényét az útjában, a távoli pontról a szemünkre. Ez befolyásolja a sugárzás minden formáját, beleértve a Nagyrobbanásból származó maradékot. (LARRY MCNISH / RASC KALGÁRIS KÖZPONT)

Manapság sokféle különféle tárgyból, mindenféle távolságból, különböző fényű fény érkezik a szemünkre. Azok a tárgyak, amelyek 13,8 milliárd fényévnyire vannak tőlünk, sokkal közelebb voltak a távoli múltban. Amikor először bocsátották ki azt a fényt, amely ma elér minket, ez egy olyan milliárd évvel ezelőtt történt. Az a galaxis valószínűleg 13,8 milliárd fényév távolságra van, de a fénynek nem kellett 13,8 milliárd évig utaznia ahhoz, hogy elérje; rövidebb távolságot és rövidebb időt tett meg.

Valójában a 13,8 milliárd fényévnél távolabb lévő tárgyakat láthatjuk, mindez annak a ténynek köszönhető, hogy maga az univerzum szövet bővül.

Tehát mi a teendő, ha tudni akarjuk, milyen nagy a megfigyelhető világegyetem? A következő kérdést kell feltennünk:

Figyelembe véve mindazt, amit tudunk a kibővülő világegyetemről és arról, hogy milyen különféle energiák vannak a különböző energiákban, milyen messze van egy tárgy ma, ha a fény csak éppen most, 13,8 milliárd milliárd utazás után érkezik évek?

Ha elvégzi a matematikát, hihetetlen választ kap: 46 milliárd fényév. (Vagy 46,1 milliárd fényév, ha még pontosabbá akarod tenni.) Ha Univerzumunkban több sötét energia és kevesebb anyag lenne, a válasz kissé nagyobb; Ha az Univerzumban több anyag és kevesebb sötét energia lenne, a válasz kissé kisebb lesz. De így jutunk el a megfigyelhető világegyetem széléhez.

A megfigyelhető univerzumban (sárga kör) körülbelül 2 billió galaxis található. A galaxisok, amelyek megfigyelhetőségünk határának körülbelül egyharmadánál soha nem érhetők el a világegyetem tágulása miatt, az Univerzum térfogatának csupán 3% -a nyitva marad az emberi felfedezés számára. Ennek ellenére továbbra is láthatjuk a galaxiseket, kivéve, ha csak a múltban láttunk őket (WIKIMEDIA KÖZÖS AZ AZCOLVIN 429 ÉS FRÉDÉRIC MICHEL / SIEGEL E. ÉLETT)

Ez nem azt jelenti, hogy mindent elérhetünk az Univerzum azon részében, amelyet látunk! Az Univerzum legtávolabbi részei csak a legkorábbi szakaszokban láthatók. Valójában minden, ami manapság távolabb van, mint körülbelül 4300 Mpc (vagy 14 milliárd fényév), annak a határának felel meg, hogy a fénysebességgel milyen messzire tudunk elérni. A távolabbi tárgyat még mindig láthatjuk, de csak úgy, ahogy a múltban voltak; hasonlóképpen csak akkor láthatnak minket, ahogyan a múltban voltunk. Valaki, aki 14 milliárd fényévre távolabb van tőlünk, még egy végtelenül nagy távcsővel is, soha nem tudta megfigyelni az emberi civilizációt, mint ma a Földön van.

A megfigyelhető világegyetem méretének / skálájának grafikonja a kozmikus idő múlásával. Ez egy log-log skálán jelenik meg, néhány nagyobb méret / idő mérföldkövet azonosítva. Vegye figyelembe a korai sugárzás által uralt korszakot, a közelmúltban az anyag uralta korszakot és a jelenlegi és jövőbeli exponenciálisan bővülő korszakot. (E. SIEGEL)

Az a tény, hogy láthatjuk az általunk létrehozott világegyetemet, azt mondja nekünk, hogy bővülnie kell, fantasztikus elmélet és megfigyelés mérkőzésnek. Azt is elmondja nekünk, hogy vissza tudjuk extrapolálni az időt a lehető leghamarabb egy szakaszba, és megtalálhatunk mindenféle érdekes mérföldkövet, amelyek az Univerzum méretének korához képest történnek. Amikor az Univerzum egy millió éves volt, széle már körülbelül 100 millió fényévre volt. Amikor csak egy éves volt, majdnem 100 000 fényév alatt láthattuk. Amikor csak egy milliszekundum volt, már láthattunk egy fényévet minden irányba.

És ma, a nagy robbanás után 13,8 milliárd évvel, a lehető legtávolabbi dolog, amely a nagy robbanás első pillanatában kibocsátott fénynek felel meg, 46,1 milliárd fényév távol van. A Világegyetem tartalmát tekintve nem lehetett volna más út.

A Starts With A Bang mostantól a Forbes-en működik, és a Mediumon közzéteszik, a Patreon támogatóinknak köszönhetően. Ethan két könyvet írt, a Beyond The Galaxy és a Treknology: A Star Trek tudománya a Tricorders-től a Warp Drive-ig.