Du kan ofta höra uttalanden från astrofysiker och kosmologer att extremt avlägsna regioner i universum rör sig bort från oss snabbare än ljusets hastighet. Men vad betyder det egentligen? Menar de att det finns objekt i universum som kan överskrida ett av de mest grundläggande värdena.
Den mest grundläggande lagen om speciell relativitet på en gång ledde Einstein till insikten om fysikens mest genombrottsidé - att ingenting kan röra sig snabbare än ljus. Masslösa partiklar i vakuum rör sig med ljusets hastighet, medan allt annat - en partikel med en massa någonstans eller en masslös partikel i ett medium - alltid rör sig långsammare än ljusets hastighet. Men när det gäller utvidgningen av universum uppstår ofta tankar om att detta händer snabbare än ljusets hastighet. Låt oss försöka ta reda på om det är så.
Universumet som vi ser det idag har funnits i cirka 13,8 miljarder år sedan den heta Big Bang. Men om du frågar hur långt vi kan se i någon riktning är svaret inte 13,8 miljarder ljusår, utan mycket mer. Om du tänker på det kan du föreställa dig ett avstånd som är dubbelt så stort: om ett föremål som avger ljus var 13,8 miljarder ljusår för 13,8 miljarder år sedan från "oss", så släppte det troligtvis ljus ut och flyttade bort från oss - kanske även med en hastighet nära ljuset. Om ett ljust föremål existerade så länge och ständigt rörde sig bort från oss med en hastighet av 299.792 kilometer per sekund, skulle dess ljus bara nå oss nu, även om själva objektet redan skulle vara 27,6 miljarder år från oss. Allt detta låter rimligt, men det kan leda oss till det inte så bra antagandet att rymden i sig är statisk.
Utrymmet vi bor i är inte statiskt - det expanderar. Dessutom kan vi mäta den nuvarande expansionstakten som den var i det avlägsna förflutna och som det var i alla "mellanliggande" tidpunkter. Det visar sig att ljuset från ett objekt som bara var 168 meter bort från oss vid Big Bang (okej, 10-33 sekunder efter Big Bang) bara skulle nå oss idag, 13,8 miljarder år senare, efter en otrolig resa och en overklig grad av sträckning, och själva objektet skulle vara 46,1 miljarder år från oss.
Universums utveckling från Big Bang-ögonblicket enligt den kosmologiska modellen.
"A ha! utropar du. "Så utrymmet har expanderat snabbare än ljusets hastighet!"
Är det inte? Bara för att något ska röra sig snabbare än ljus, måste det ha en hastighet: något som kan mätas, till exempel kilometer per sekund. Men det är inte så universum expanderar.
Tvärtom, det expanderar med en hastighet per enhetsavstånd. Detta mäts vanligtvis som kilometer per sekund per megaparsek, där en megaparsek är cirka 3,26 miljoner ljusår. Om expansionshastigheten är 70 km / s / Mpc, betyder detta att i genomsnitt ett objekt som ligger 10 Mpc från oss rör sig bort med en hastighet på 700 km / s från vår synvinkel, vid 200 Mpc - 14.000 km / s, och vid När det gäller ett föremål på 5000 Mpc verkar det för oss att det rör sig bort med en hastighet av 350 tusen km / s.
Kampanjvideo:
Men följer det av detta att vissa objekt rör sig snabbare än ljus? Låt oss gå tillbaka till Einsteins speciella sannolikhet och tänka på vad vi menar när vi säger att ingenting kan resa snabbare än ljus. Detta innebär att om du har två objekt i samma rymd-händelse - upptar samma utrymme på samma gång - så kan de inte röra sig relativt varandra snabbare än ljusets hastighet. Även om en av dem rör sig norrut med 99% av ljusets hastighet, och den andra rör sig med samma hastighet söderut kommer deras hastighet inte att vara 198% av ljusets hastighet relativt varandra, utan kommer att vara lika med 99.995% av ljusets hastighet. Oavsett hur snabbt var och en av dem rör sig kommer de aldrig att överskrida ljusets hastighet relativt varandra.
Det observerbara universum kan vara 46 miljarder ljusår i alla riktningar ur vår synvinkel, men det finns definitivt regioner utanför det som vi inte kan observera. 46 miljarder ljusår är bara gränsen för vår observation.
Det är därför det kallas relativitet: det mäter den relativa rörelsen mellan två objekt på samma punkt i rum och tid. Men denna typ av relativitet - Special Relativity - sätter reglerna i ditt område med icke-expanderande rymd. Allmän relativitet lägger till ytterligare ett lager till detta: det faktum att rymden i sig expanderar. Genom att mäta mängden vanligt material, mörk materia, mörk energi, neutrinoer, strålning och andra saker i dagens universum, samt hur ljus som når oss från olika avstånd i universum flyttas till det röda spektrumet som ett resultat av expansion, kan vi återskapa hur stort var universumet när som helst i det förflutna.
När universum var cirka 10 tusen år gammalt var dess observerbara del redan 10 miljoner ljusår. När hon bara var ett år gammal var det observerbara universum 100 000 ljusår. När hon bara var en sekund var hon redan tio ljusår. Ja, det låter som att det expanderar snabbare än ljus. Men på ingen tidpunkt rörde sig någon partikel snabbare än ljus i förhållande till en annan partikel som den samverkade med.
Ju längre galaxen är, desto snabbare rör sig den bort från oss och desto mer förflyttas ljuset till det röda spektrumet, vilket tvingar oss att titta på allt längre vågor. Utöver ett visst avstånd blir galaxer oåtkomliga även med ljusets hastighet.
Tvärtom, utrymmet mellan partiklarna expanderade, i vilket processen avståndet mellan dem ökade, och strålningsvåglängden i detta utrymme sträcktes. Detta pågick i många miljarder år under kosmisk historia och fortsätter idag. Även om vi aldrig kan nå några objekt för mer än 15,6 miljarder år sedan, även om vi rör oss med ljusets hastighet (vilket per definition är omöjligt), beror det inte på att de rör sig snabbare än ljuset, men eftersom utrymmet mellan olika punkter fortsätter att expandera.
Den viktigaste takeawayen är att utrymmet inte expanderar med någon speciell hastighet, utan snarare med en viss hastighet: med en hastighet per enhetsavstånd. Som ett resultat, ju längre bort objektet du tittar på, desto mer påverkar expansionen avståndet mellan dig. Ju längre bort ett objekt är från dig, desto rödare kommer det att visas och desto snabbare kommer det att röra sig från din synvinkel. Men är det snabbare än ljus? För att kunna mäta detta måste du vara i samma område. Ingenting rör sig snabbare än ljus i förhållande till din plats, och detta kan sägas om någon plats i universumet när som helst. Utrymmet expanderar, men inte snabbare än ljus, dessutom har denna expansion ingen hastighet.
Vladimir Guillen