Подорож швидше світла

Космологи є інтелектуальними мандрівниками у часі. Озираючись через мільярди років, ці вчені можуть, в дивовижних подробицях, простежити еволюцію Всесвіту. 13.8 мільярдів років стався тому великий вибух. Частокою секунди пізніше, молодий Всесвіт почав розширюватися в геометричній прогресії, за неймовірно короткий проміжок часу, це явище називається інфляція. Протягом наступних періодів, наш космос розрширився до таких величезних розмірів, що ми більше можемо не побачити іншу його сторону.

Але як це може бути? Якщо швидкості світла знаменує собою межу космічної швидкості, якщо це можливо, то можуть бути регіони простору і часу, чиї фотони будуть назавжди за межами нашої досяжності? Та навіть якщо і є, звідки ми знаємо, що вони існують взагалі?

Розширення Всесвіту

Як і все інше у фізиці, можливо наш Всесвіт прагне існувати в мінімальному енергетичному стані. Але вважається, що 10-36 секунди після великого вибуху, замість відпочинку космос продовжив своє розширення. Через хвилину, Всесвіт мав розбухнути в 1050 раз.
З цього часу наша Всесвіт продовжує розширюватися, але набагато повільнішими темпами. Ми бачимо докази цього розширення в світлі від далеких об'єктів. Якщо фотони, що випускаються зіркою або галактикою поширити по всьому Всесвіті, розширення простору змушує їх втрачати енергію. Після того, як фотони досягають нас, їх довжини хвиль зсуваються ближче до червоного відповідно до відстані, яку вони пройшли.

Тому космологи вважають червоний зсув, функцією відстані у просторі і часі. Світло від цих далеких об'єктів подорожувало так довго, що, коли ми, нарешті, його побачимо, то ми бачимо предмети, якими вони були мільярди років тому.

Обсяг Хаббла

Червоний спектр світла дозволяє нам бачити об'єкти, такі як галактики, які існували в далекому минулому, але ми не можемо бачити всі події, які відбулися в нашій Всесвіту в ході її історії. Тому що наш космос розширюється, світло від деяких об'єктів просто занадто далеко від нас, щоб ми змогли, його коли-небудь побачити.
Фізичні межі покладаються, зокрема, на шматок навколишнього простору-часу можна називати Обсягом Хаббла. Тут, на Землі, ми визначаємо об'єм Хаббла, вимірюючи те, що називається постійною Хаббла, значення, якому належить очевидний спад швидкості віддалених об'єктів, через їх червоне зміщення. Вперше він був розрахований у 1929 р., коли Едвін Хаббл виявив, що далекі галактики мабуть, віддаляються від нас за курсом, який був пропорційний червоному зміщенню їх світла.

Розділивши швидкість світла, постійної Хаббла, отримуємо обсяг Хаббла. Цей сферичний міхур, що знаходиться в регіоні, де всі об'єкти відійшли від центрального спостерігача зі швидкістю менше ніж швидкість світла. Відповідно, всі об'єкти за межами обсгу Хаббла відійшли від центру швидше, ніж швидкість світла.

Так, "швидше, ніж швидкість світла." Як це можливо?

Магія відносності

Відповідь має відношення різниці між спеціальною теорію відносності і загальною теорію відносності. Спеціальна теорія відносності вимагає те, що називається "інерціальні системи відліку" - простіше кажучи, фон. Згідно цієї теорії, швидкість світла однакова у порівнянні у всіх інерціальних системах відліку. Може спостерігач, як і раніше, сидячи на лавці в парку, на планеті Земля або пролітати повз Нептуна на фантастично-високій швидкості в космічному кораблі, але швидкість світла завжди залишається однаковою. Фотон завжди летить до спостерігача зі швидкістю 300 000 000 метрів в секунду, і його нам ніколи не наздогнати.
Однак загальна теорія відносності,  сама по собописує тканину простору і часу. У цієї теорії, не існує інерціальної системи відліку. Простір і час - це не розширення відношення до чого-небудь поза собою, тому швидкість світла у якості межі швидкості не відноситься. Так, галактики поза нашою сферою Хаббла віддаляються від нас швидше швидкості світла. Але самі галактики не порушують жодних космічних обмежень швидкості. Для спостерігача в одній з цих галактик, нічого не порушує спеціальної теорії відносності. Це простір між нами і тими галактиками, які швидко розтягуються в геометричній прогресії.

Спостережений Всесвіт

Наступний ефект вибуху бомби: обсяг "Хаббла" - це не те ж саме, що спостерений Всесвіт.
Щоб зрозуміти це, розглянемо, як Всесвіт стає старшим, дальнє світло має більше часу, щоб досягти наші детектори, на Землі. Тепер, ми можемо бачити об'єкти, які прийшли із за меж нашого теперішнього обсягу Хаббла.
Строго кажучи, в нашій спостережуваного Всесвіту збігається з тим, що називається часткою горизонту. Частинки горизонту показують відстань до самого далекого об'єкту, який ми бачимо на даний момент - фотони, які мали досить часу, щоб або залишитися в рамках, або наздогнали, нашу розширяючу сферу Хаббла.
І яка ця відстань? Трохи більше 46 мільярдів світлових років у будь-якому напрямку, даючи нашому спостережуваному Всесвіту діаметром близько 93 мільярдів світлових років, або більше ніж в 500 мільярдів трильйонів кілометрів.

(Примітка: частка горизонту -ц е не те ж саме, як космологічний горизонт подій. Частка горизонту охоплює всі події минулого, які ми можемо зараз бачити. Космологічний горизонт подій, з іншого боку, визначає відстань, у межах якого майбутній спостерігач зможе побачити стародавній світ, наш маленький куточок простору-часу сьогодні.
Іншими словами, частка горизонту є законм відстані до минулого об'єкту, стародавні світ, якого ми бачимо сьогодні; космологічний горизонт подій є законм відстані, коли наше теперішнє денне світло, буде подорожувати до далеких областей Всесвіту.)

Темна Енергія

Завдяки розширенню Всесвіту, є регіони космосу, які ми ніколи не побачимо, навіть якщо ми могли б чекати нескінченну кількість часу для того, щоб їх світло змогло до нас дістатися. Але чому ті області, досягає наш сьогоднішньої обсяг Хаббла? Якщо що сфера розширюється, ми завжди будемо мати можливість бачити ті межі об'єктів?
Це залежить від того, в який регіон розширюється швидше, - обсяг Хаббла або частин Всесвіту, за його межами. І відповідь на це питання залежить від двох речей:

1) чи зростає або зменшується Обсяг Хаббла?

2) чи є Всесвіт прискорення або уповільнення. Ці дві ставки тісно пов'язані між собою, але вони не збігаються.

Космологи вважають, що ми насправді живемо в той час, коли Обсяг Хаббла зменшується, але через темну енергію, швидкість розширення Всесвіту збільшується.
Це може здатися нелогічним, але поки Обсяг Хаббла зменшується з меншою швидкістю, ніж та, при тій що швидкість розширення Всесвіту збільшується, загальний рух галактик від нас як і раніше відбувається в прискореному темпі. І на даний момент, космологи вважають, що розширення Всесвіту буде випереджати більш скромне зростання обсягу Хаббла.
Так що, хоча наш обєм Хаббла розширюється, вплив темної енергії, як видається, забезпечує жорстке обмеження на постійно зростаючу частину спостережуваного Всесвіту.

Наші Земні Обмеження

Здається,космологи мають добрі відповіді на глибокі питання, як те, яким наш спостережуваний Всесвіт буде виглядати у майбутньому, і як зміниться розширення космосу. Але, в кінцевому рахунку, вчені можуть тільки теоретизувати відповіді на питання про майбутнє на основі їх сучасного розуміння Всесвіту. Космологічні терміни такі довгі, що неможна нічого конкретного сказати про те, як Всесвіт буде вести себе в майбутньому. Сьогоднішні моделі на диво добре підходять поточних даних, але правда полягає в тому, що ніхто з нас не буде жити досить довго, щоб побачити, чи дійсно передбачення збігатиметься зі всіма результатами.

Розчаровує? В цьому впевнений. Але зовсім не варто зусиль, щоб допомогти нашим кволі мізки розглянути такий розум-bloggling науки - дійсність, яка, як зазвичай, просто stranger than fiction.