Ha az Univerzum bővül, megérthetjük, hogy a távoli galaxisok miért távoznak tőlünk, ahogy ők is. De akkor miért nem terjeszkednek a csillagok, bolygók és még atomok sem? (C. FAUCHER-GIGUÈRE, A. LIDZ ÉS HERNQUIST L., 319., 5859. TUDOMÁNY (47))

Ezért nem bővülünk, még ha az univerzum is

Az Univerzum bővül, de mi, a bolygónk, a Naprendszer és a galaxis nem mindegyikünk vagyunk. Itt van miért.

Vessen egy pillantást az univerzum szinte minden galaxisára, és rájössz, hogy távolodik tőlünk. Minél távolabb van, annál gyorsabban látszik visszahúzódni. Amint a fény áthalad az Univerzumon, eltolódik a hosszabb és vörösebb hullámhosszra, mintha maga a tér szövete megfeszülne. A legnagyobb távolságra a galaxisokat olyan gyorsan tolja el ez a táguló univerzum, hogy semmilyen jel, amelyet esetleg küldünk, soha nem érheti el őket, még a fénysebességgel sem.

De annak ellenére, hogy a világűr az egész világegyetemben kiterjed - mindenhol és minden irányba -, mi nem vagyunk. Atomaink változatlan méretűek. Ugyanez történik a bolygókkal, holdakkal és csillagokkal, valamint az őket elválasztó távolságokkal. Még a helyi csoportunk galaxisai sem terjednek el egymástól; inkább egymás felé vonzódnak. Itt van a kulcs annak megértéséhez, hogy mi bővül (és mi nem) bővülő univerzumunkban.

A Newtonnak köszönhető eredeti eredeti térkoncepció rögzített, abszolút és változatlan formában. Ez egy szakasz volt, ahol tömegek létezhetnek és vonzhatnak. (AMBER STUVER, BLOGTÓL, ÉLŐ LIGÓBÓL)

Az első dolog, amit meg kell értenünk, mi a gravitációs elméletünk, és hogyan különbözik attól, hogy hogyan gondolhatnánk rá intuitív módon. Legtöbben úgy gondolkodunk az űrről, ahogyan Newton tette: rögzített, változatlan koordinátákként, amelyekre a tömegeket le tudta helyezni. Amikor Newton először az univerzumról gondolkodott, rácsként a helyet ábrázolta. Abszolút, rögzített entitás volt tömegekkel tele, amelyek gravitációs szempontból vonzták egymást.

De amikor Einstein jött, felismerte, hogy ez a képzeletbeli rács nincs rögzítve, nem volt abszolút és egyáltalán nem olyan, mint Newton elképzelte. Ehelyett ez a rács olyan volt, mint egy szövet, és maga a szövet ívelt, torzult, és az anyag és az energia jelenléte miatt kénytelen fejlődni az idő múlásával. Sőt, a benne lévő anyag és energia meghatározta, hogy ez az űrtartalmú szövet hogyan legyen hajlítva.

Az űrtartalom elvonulása az általános relativista képen gravitációs tömeg által. Állandó, változatlan rács helyett az általános relativitáselmélet egy olyan téridő-szövetet fogad be, amely idővel változhat, és amelynek tulajdonságai eltérőek lesznek a különböző mozgással és különböző helyekkel rendelkező megfigyelők számára. (LIGO / T. PYLE)

De ha csak egy tömeges csomó lenne az űridőben, akkor elkerülhetetlenül összeomlik egy fekete lyuk kialakulása, amely az egész Univerzumot átitatja. Einsteinnek nem tetszett ez az ötlet, ezért hozzátette „javítást” kozmológiai állandó formájában. Ha létezik egy extra kifejezés - amely egy üres energiát áteresztő energia egy további formáját képviseli -, akkor ezeket a tömegeket visszatarthatja, és az univerzum statikusnak tarthatja. Ez megakadályozná a gravitációs összeomlást. Ha hozzáadja ezt a kiegészítő funkciót, Einstein arra késztetheti az Univerzumot, hogy csaknem állandó állapotban létezzen az egész örökkévalóságig.

De nem mindenki volt annyira belefogva ahhoz a gondolathoz, hogy az univerzumnak statikusnak kell lennie. Az egyik első megoldás Alexander Friedmann nevű fizikus volt. Megmutatta, hogy ha nem adod hozzá ezt az extra kozmológiai állandót, és ha van egy Univerzum, amely tele van energiával - anyaggal, sugárzással, porral, folyadékkal stb. -, akkor kétféle megoldás létezik: egy a szerződő univerzum számára, és egy az egyik egy bővülő világegyetem számára.

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

A matematika elmondja a lehetséges megoldásokról, de a fizikai univerzumra kell figyelnie, hogy megtalálja közülük melyiket írja le. Ez az 1920-as években jött, Edwin Hubble munkájának köszönhetően. Hubble volt az első, aki felfedezte, hogy az egyes csillagokat más galaxisokban is meg lehet mérni, meghatározva távolságukat.

Szinte ezzel párhuzamosan Vesto Slipher munkája volt. Az atomok az egész világegyetemben mindenhol azonosak: a fényt abszorbeálják és bocsátanak ki bizonyos, meghatározott frekvenciákon, amelyek attól függnek, hogy elektronok gerjesztik-e vagy mennyire gerjesztik őket. Amikor megnézte ezeket a távoli tárgyakat - amelyekről most már tudjuk, hogy más galaxisok -, atomi aláírásaik hosszabb hullámhosszra tolódtak el, mint amennyit meg lehetne magyarázni.

Amikor a tudósok kombinálták ezt a két megfigyelést, hihetetlen eredmény jelent meg.

A látszólagos tágulási sebesség (y-tengely) és a távolság (x-tengely) ábrája megegyezik egy olyan univerzummal, amely a múltban gyorsabban bontakozott ki, de ma is bővül. Ez egy modern változata, amely több ezer alkalommal messzebbre terjed, mint a Hubble eredeti műve. A különféle görbék a különböző alkotóelemekből álló univerzumokat ábrázolják (NED WRIGHT, A BETOULE ET AL legfrissebb adatain alapul. (2014))

Ennek csak kétféle módja volt. Bármelyik:

  1. az összes relativitáselmélet hibás volt, az univerzum középpontjában álltunk, és minden szimmetrikusan elmozdult tőlünk, vagy
  2. a relativitáselmélet igaz volt, Friedmannnak igaza volt, és minél távolabb volt egy galaxis tőlünk, annál gyorsabban tűnt el látásunkból.

Egy hullámmal a táguló Univerzum egy ötletből vált a vezető ötletké, amely leírja az univerzumunkat. A bővítés működése kissé ellentétes. Úgy tűnik, mintha maga a tér szövete megfeszülne az idő múlásával, és az abban a térben lévő összes tárgy egymástól húzódik.

Minél távolabb van egy objektum a másiktól, annál „nyúlik”, és annál gyorsabban tűnnek el egymástól. Ha csak egy univerzum töltött volna egyenletesen és egyenletesen az anyaggal, akkor az anyag egyszerűen kevésbé sűrűvé válna, és látná, hogy az idő előrehaladtával minden tágul az összes mástól.

A CMB hideg ingadozása (kékkel ábrázolva) nem eredendően hidegebb, inkább azokat a régiókat jelöli, ahol nagyobb a gravitációs vonzás a nagyobb anyag sűrűség miatt, míg a forró pontok (piros színben) csak forróak, mert a sugárzás ez a régió egy sekélyebb gravitációs kútban él. Az idő múlásával a túlterhelt régiók sokkal nagyobb valószínűséggel válnak csillagokká, galaxisokká és klaszterekké, míg az alulhúzott régiók kevésbé valószínűek. (E. M. FtF, az SDSS-III. CSATLAKOZÓ ÉS A DÉL-PÁL TELESKÓP CSOPORT; ZÓZIA ROSTOMIAN GRAFIKÁJA)

De az Univerzum nem tökéletesen egyenletes és egységes. Túlterhelt régiói vannak, például bolygók, csillagok, galaxisok és galaxiscsoportok. Hideg régiók vannak, mint például a nagy kozmikus üregek, ahol gyakorlatilag nincsenek hatalmas tárgyak.

Ennek oka az, hogy az univerzum terjeszkedése mellett más fizikai jelenségek is vannak a játékban. Kis méretekben, mint például az élőlények mérlegei és az alatt, az elektromágneses és nukleáris erők dominálnak. Nagyobb léptékben, mint például a bolygók, a naprendszerek és a galaxisoké, a gravitációs erők dominálnak. A nagy verseny az egész legnagyobb léptékén - az egész világegyetem nagyságrendjén - az univerzum tágulása és az abban lévő összes anyag és energia gravitációs vonzása között zajlik.

A legnagyobb léptékben az Univerzum tágul, és a galaxisok elvonulnak egymástól. De kisebb léptékben a gravitáció legyőzi a tágulást, csillagok, galaxisok és galaxiscsoportok kialakulásához vezetve. (NASA, ESA és A. FEILD (STSCI))

A legnagyobb skálán a bővítés nyer. A legtávolabbi galaxisok olyan gyorsan terjednek, hogy semmilyen fény sem továbbítja őket, még a fénysebességgel sem.

Az Univerzum szuperklasztereit - ezeket a hosszú, szálas szerkezeteket galaxisokkal lakották és több mint egymilliárd fényévig nyújtják - az Univerzum terjeszkedése húzza és szétválasztja. Viszonylag rövid távon, a következő néhány milliárd év alatt megszűnnek. Még a Tejút legközelebbi nagy galaxiscsoportja, a Szűz klaszter, mindössze 50 millió fényév távolságra, soha nem fog bevonni minket. Annak ellenére, hogy egy gravitációs vonzás több mint ezerszer olyan erős, mint a miénk, az Univerzum kibővítése mindezt széthúzza.

Számos ezer galaxis nagy gyűjteménye alkotja közeli szomszédságunkat 100 000 000 fényév alatt. Maga a Szűz klaszter összeköttetésben marad, de a Tejút az idő múlásával tovább fog távolodni tőle. (A WIKIMEDIA KÖZÖS FELHASZNÁLÓJA ANDREW Z. COLVIN)

De vannak olyan kisebb léptékek is, ahol a terjeszkedést már le lehetett küzdeni, legalábbis lokálisan. Sokkal könnyebb legyőzni az Univerzum tágulását kisebb távolsági skálán, mivel a gravitációs erőnek több ideje van arra, hogy kisebb méretarányú túlterhelési régiókra növekedjen, mint a nagyobboknál.

A közelben maga a Szűz klaszter gravitációs kapcsolatban áll. A Tejút és a helyi csoportos galaxisok összeköttetésben maradnak, végül saját gravitációjuk alatt összeolvadnak. A Föld ugyanannak a keringési távolságnak a köré forog a Nap, maga a Föld ugyanolyan méretű marad, és az atomok, amelyek mindent alkotnak, nem fognak tágulni.

Miért? Mivel az Univerzum tágulásának csak akkor van hatása, ha egy másik erő - legyen a gravitációs, elektromágneses vagy atommag - még nem lépett le. Ha valamilyen erő sikeresen képes egy tárgyat egymáshoz tartani, akkor a bővülő világegyetem sem befolyásolja a változást.

A TRAPPIST-1 rendszer a Naprendszer bolygóival és a Jupiter holdjaival összehasonlítva. Az itt bemutatott keringési pályái nem változnak az univerzum tágulásával, mivel a gravitációs erő erõsíti az adott tágulás bármely hatását. (NASA / JPL-CALTECH)

Ennek oka finom, és ahhoz a tényhez kapcsolódik, hogy maga a tágulás nem erő, hanem sebesség. Az űr valóban még mindig bővül minden léptékben, de a kiterjesztés csak a kumuláltan érinti a dolgokat. Van egy bizonyos sebesség, hogy a tér bármely két pont között tágul, de ezt a sebességet össze kell hasonlítani a két tárgy közötti menekülési sebességgel, ami azt jelzi, hogy milyen szorosan vagy lazán vannak egymáshoz kötve.

Ha van egy erő, amely összekapcsolja ezeket az objektumokat, és amely nagyobb, mint a háttér tágulási sebessége, akkor a távolság nem növekszik közöttük. Ha nem növekszik a távolság, akkor nincs hatékony kiterjesztés. Minden pillanatban több mint ellensúlyozza, és így soha nem érheti el azt az additív hatást, amely a kötetlen tárgyak között jelenik meg. Ennek eredményeként a stabil, kötött tárgyak változatlanul életben maradhatnak a bővülő Univerzumban az örökkévalóságig.

Függetlenül attól, hogy gravitáció, elektromágnesesség vagy bármilyen más erő megköveteli - a stabil, egymással tartott tárgyak mérete nem változik, még az univerzum tágulásával sem. Ha meg tudja oldani a kozmikus terjeszkedést, örökre kötve maradsz. (A NASA, FÖLD ÉS MARS SZÁMÁRA)

Mindaddig, amíg az Univerzum rendelkezik azokkal a tulajdonságokkal, amelyeket mérünk, hogy vannak, ez örökké fennmarad. Lehet, hogy sötét energia létezik, és a távoli galaxisokat felgyorsulhat tőlünk, de a rögzített távolságon keresztüli expanzió hatása soha nem növekszik. Csak egy kozmikus „Nagy Rip” esetén - amelyre a bizonyítékok nem utalnak, hanem felé mutatnak - ez a következtetés megváltozik.

Lehet, hogy maga a tér szövete mindenhol kiterjed, de nem gyakorol mérhető hatást minden tárgyra. Ha valamilyen erő elég erősen köti össze téged, a bővülő Világegyetemnek nincs hatása rád. Csak a legnagyobb skálán, ahol az objektumok közötti összes kötési erő túl gyenge ahhoz, hogy legyőzze a gyors Hubble-sebességet, ez a tágulás egyáltalán megtörténik. Ahogy Richard Price fizikus egyszer állította: "Lehet, hogy a derékvonalad elterjed, de nem hibáztathatod az univerzum tágulásáért."

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.