Genom att analysera resultaten av observationer av galaxer och kosmisk mikrovågsbakgrundsstrålning, kom astronomer till slutsatsen att fördelningen av materia i universum (regionen av det studerade rymden översteg 100 Mpc i diameter) är homogen och isotropisk, d.v.s. inte beror på position och riktning i rymden (se Kosmologi) . Och sådana egenskaper hos rymden, enligt relativitetsteorin, innebär oundvikligen en förändring över tid i avstånden mellan de kroppar som fyller universum, d.v.s. universum måste expandera eller dra ihop sig, och observationer indikerar expansion.
Universums expansion skiljer sig väsentligt från den vanliga expansionen av materia, till exempel från expansionen av en gas i en cylinder. Gasen, som expanderar, ändrar kolvens position i cylindern, men cylindern förblir oförändrad. I universum sker en expansion av hela rymden som helhet. Därför blir frågan i vilken riktning expansionen sker meningslös i universum. Denna expansion sker i mycket stor skala. Inom stjärnsystem, galaxer, kluster och superkluster av galaxer sker ingen expansion. Sådana gravitationsbundna system är isolerade från universums allmänna expansion.
Slutsatsen att universum expanderar bekräftas av observationer av det röda skiftet i galaxernas spektra.
Låt ljussignaler sändas från en viss punkt i rymden vid två ögonblick och observeras vid en annan punkt i rymden.
På grund av en förändring i universums skala, det vill säga en ökning av avståndet mellan punkterna för emission och observation av ljus, måste den andra signalen färdas ett större avstånd än den första. Och eftersom ljusets hastighet är konstant, är den andra signalen fördröjd; intervallet mellan signalerna vid observationspunkten kommer att vara större än vid punkten för deras avgång. Ju större avståndet är mellan källan och observatören, desto större fördröjning. En naturlig standard för frekvens är frekvensen av strålning under elektromagnetiska övergångar i atomer. På grund av den beskrivna effekten av universums expansion minskar denna frekvens. När man observerar emissionsspektrumet från någon avlägsen galax bör därför alla dess linjer vara rödförskjutna jämfört med laboratoriespektra. Detta rödförskjutningsfenomen är Dopplereffekten (se Radiell hastighet) från den ömsesidiga "spridningen" av galaxer och observeras i verkligheten.
Storleken på det röda skiftet mäts genom förhållandet mellan den ändrade strålningsfrekvensen och den ursprungliga. Ju större avståndet är till den observerade galaxen, desto större frekvensförändring.
Genom att mäta det röda skiftet från spektra visar det sig alltså vara möjligt att bestämma hastigheten v för galaxer med vilken de rör sig bort från observatören. Dessa hastigheter är relaterade till avstånd som kallas Hubble-konstanten.
Noggrann bestämning av värdet är behäftad med stora svårigheter. Baserat på långtidsobservationer är det för närvarande accepterade värdet .
Detta värde motsvarar en ökning av hastigheten för galaxens recession lika med cirka 50-100 km/s för varje megaparsek av avstånd.
Hubbles lag gör det möjligt att uppskatta avstånden till galaxer som ligger på enorma avstånd baserat på rödförskjutningen av linjer som mäts i deras spektra.
Lagen om galaxnedgången härleds från observationer från jorden (eller, kan man säga, från vår galax), och beskriver således avståndet mellan galaxer från jorden (vår galax). Man kan dock inte dra slutsatsen av detta att det är jorden (vår galax) som är i centrum för universums expansion. Enkla geometriska konstruktioner övertygar oss om att Hubbles lag är giltig för en observatör som befinner sig i någon av galaxerna som deltar i lågkonjunkturen.
Hubbles expansionslag indikerar att materia i universum en gång hade mycket hög densitet. Tiden som skiljer oss från detta tillstånd kan konventionellt kallas universums ålder. Det bestäms av värdet
Eftersom ljusets hastighet är ändlig, motsvarar universums ändliga ålder den ändliga region av universum som vi för närvarande kan observera. Dessutom motsvarar de mest avlägsna observerbara delarna av universum de tidigaste ögonblicken av dess utveckling. I dessa ögonblick kan en mängd elementarpartiklar födas och interagera i universum. Genom att analysera processerna som inträffade med deltagandet av sådana partiklar i den första sekunden av universums expansion, finner teoretisk kosmologi, baserat på teorin om elementarpartiklar, svar på frågorna om varför det inte finns någon antimateria i universum och till och med varför universum expanderar.
Många av teorins förutsägelser om elementarpartiklars fysikaliska processer relaterar till energiregioner som är ouppnåeliga i moderna terrestra laboratorieförhållanden, till exempel i acceleratorer.
Men under perioden före den första sekunden av universums expansion borde partiklar med sådan energi ha funnits. Därför ser fysiker det expanderande universum som ett naturligt laboratorium av elementarpartiklar.
I detta laboratorium kan du utföra "tankeexperiment", analysera hur förekomsten av en viss partikel skulle påverka fysiska processer i universum, hur den eller den förutsägelsen av teorin skulle visa sig i astronomiska observationer.
Teorin om elementarpartiklar åberopas för att förklara universums "dolda massa". För att förklara hur galaxer bildades, hur de rör sig i galaxhopar och många andra funktioner i fördelningen av synlig materia, visar det sig vara nödvändigt att anta att mer än 80 % av universums massa är dold i form av osynligt svagt interagerande partiklar. I detta avseende diskuteras neutrinos med icke-noll vilomassa, såväl som nya hypotetiska partiklar, mycket inom kosmologin.
Universum är inte statiskt. Detta bekräftades av astronomen Edwin Hubbles forskning redan 1929, det vill säga för nästan 90 år sedan. Denna idé föreslogs för honom av observationer av galaxernas rörelse. En annan upptäckt av astrofysiker i slutet av 1900-talet var beräkningen av universums accelererande expansion.
Vad kallas universums expansion?
Vissa människor är förvånade över att höra forskare hänvisa till universums expansion. De flesta förknippar detta namn med ekonomin och med negativa förväntningar.
Inflation är processen för expansion av universum omedelbart efter dess uppkomst och med en kraftig acceleration. Översatt från engelska betyder "inflation" "pumpa upp", "blåsa upp".
Nya tvivel om förekomsten av mörk energi som en faktor i universums inflationsteorin används av motståndare till expansionsteorin.
Sedan föreslog forskare en karta över svarta hål. De initiala uppgifterna skiljer sig från de som erhölls i ett senare skede:
- Sextio tusen svarta hål med ett avstånd mellan de längsta på mer än elva miljoner ljusår – data från fyra år sedan.
- Hundra åttiotusen galaxer med svarta hål på ett avstånd av tretton miljoner ljusår. Data erhållna av forskare, inklusive ryska kärnfysiker, i början av 2017.
Denna information, säger astrofysiker, motsäger inte den klassiska modellen av universum.
Universums expansionshastighet är en utmaning för kosmologer
Expansionshastigheten är verkligen en utmaning för kosmologer och astronomer. Det är sant att kosmologer inte längre hävdar att universums expansionshastighet inte har en konstant parameter flyttade avvikelserna till ett annat plan - när expansionen började accelerera. Data om vandringen i spektrumet av mycket avlägsna supernovagalaxer av den första typen bevisar att expansion inte är en plötslig process.
Forskare tror att universum krympte under de första fem miljarderna åren.
De första konsekvenserna av Big Bang provocerade först fram en kraftfull expansion, och sedan började kompressionen. Men mörk energi påverkade fortfarande universums tillväxt. Och med acceleration.
Amerikanska forskare har börjat skapa en karta över universums storlek för olika epoker för att ta reda på när accelerationen började. Genom att observera supernovaexplosioner, såväl som koncentrationsriktningen i antika galaxer, märkte kosmologer egenskaper hos acceleration.
Varför universum "accelererar"
Till en början förstod man att accelerationsvärdena i kartan inte var linjära, utan förvandlades till en sinusvåg. Det kallades "universums våg".
Universums våg antyder att accelerationen inte skedde med konstant hastighet: den antingen saktade ner eller accelererade. Och flera gånger. Forskare tror att det fanns sju sådana processer under de 13,81 miljarder åren efter Big Bang.
Kosmologer kan dock ännu inte svara på frågan om vad accelerationen-retardationen beror på. Antagandena kokar ner till idén att energifältet från vilket mörk energi kommer från är underordnat universums våg. Och när universum flyttas från en position till en annan expanderar universum antingen sin acceleration eller saktar ner den.
Trots argumentens övertygande är de fortfarande en teori. Astrofysiker hoppas att information från Planck-teleskopet kommer att bekräfta förekomsten av vågor i universum.
När upptäcktes mörk energi?
Folk började prata om det först på nittiotalet på grund av supernovaexplosioner. Den mörka energins natur är okänd. Även om Albert Einstein identifierade den kosmiska konstanten i sin relativitetsteori.
År 1916, för hundra år sedan, ansågs universum fortfarande vara oföränderligt. Men tyngdkraften ingrep: de kosmiska massorna skulle oundvikligen träffa varandra om universum var orörligt. Einstein förklarar gravitationen på grund av den kosmiska frånstötande kraften.
Georges Lemaitre kommer att motivera detta genom fysiken. Vakuum innehåller energi. På grund av dess vibrationer, vilket leder till uppkomsten av partiklar och deras ytterligare förstörelse, får energin en frånstötande kraft.
När Hubble bevisade universums expansion kallade Einstein det nonsens.
Effekten av mörk energi
Universum rör sig isär med konstant hastighet. 1998 presenterades världen med data från en analys av typ 1 supernovaexplosioner. Det har bevisats att universum växer snabbare och snabbare.
Detta händer på grund av ett okänt ämne, det är smeknamnet "mörk energi". Det visar sig att det upptar nästan 70% av universums utrymme. Den mörka energins väsen, egenskaper och natur har inte studerats, men forskare försöker ta reda på om den fanns i andra galaxer.
2016 beräknade de den exakta expansionshastigheten för den närmaste framtiden, men en diskrepans dök upp: universum expanderar i en snabbare takt än astrofysiker tidigare antog. Tvister har blossat upp bland forskare om förekomsten av mörk energi och dess inverkan på expansionshastigheten för universums gränser.
Universums expansion sker utan mörk energi
Forskare lade fram teorin att universums expansion är oberoende av mörk energi i början av 2017. De förklarar expansionen med förändringar i universums struktur.
Forskare från universiteten i Budapest och University of Hawaii kom till slutsatsen att skillnaden mellan beräkningar och den faktiska expansionshastigheten är förknippad med förändringar i rymdens egenskaper. Ingen tog hänsyn till vad som händer med modellen av universum under expansionen.
Forskare tvivlar på att det finns mörk energi och förklarar: de största koncentrationerna av materia i universum påverkar dess expansion. I det här fallet fördelas det återstående innehållet jämnt. Faktumet förblir dock okänt.
För att visa giltigheten av deras antaganden har forskare föreslagit en mini-universumsmodell. De presenterade den i form av en uppsättning bubblor och började beräkna tillväxtparametrarna för varje bubbla med sin egen hastighet, beroende på dess massa.
Sådan modellering av universum visade forskare att det kan förändras utan att ta hänsyn till energi. Men om du "blandar in" mörk energi kommer modellen inte att förändras, säger forskare.
I allmänhet pågår debatten fortfarande. Förespråkare av mörk energi säger att det påverkar utvidgningen av universums gränser.
Universums expansionshastighet nu
Forskare är övertygade om att universum började växa efter Big Bang. Sedan, för nästan fjorton miljarder år sedan, visade det sig att universums expansionshastighet var större än ljusets hastighet. Och det fortsätter att växa.
I boken "The Shortest History of Time" av Stephen Hawking och Leonard Mlodinow noteras det att expansionshastigheten för universums gränser inte kan överstiga 10% per miljard år.
För att bestämma universums expansionshastighet beräknade Nobelpristagaren Adam Riess sommaren 2016 avståndet till pulserande cepheider i galaxer nära varandra. Dessa data gjorde det möjligt att beräkna hastigheten. Det visade sig att galaxer på ett avstånd av minst tre miljoner ljusår kan röra sig bort med en hastighet av nästan 73 km/s.
Resultatet var överraskande: orbitalteleskop, samma "Planck", talade omkring 69 km/s. Varför en sådan skillnad registrerades kan forskare inte svara på: de vet ingenting om ursprunget till mörk materia, på vilken teorin om universums expansion är baserad.
Mörk strålning
En annan faktor i universums "acceleration" upptäcktes av astronomer som använde Hubble. Mörk strålning tros ha uppträtt i början av universums bildande. Då var det mer energi i det, ingen roll.
Mörk strålning "hjälpte" mörk energi att expandera universums gränser. Avvikelserna vid bestämning av accelerationshastigheten berodde på den okända karaktären hos denna strålning, tror forskare.
Framtida arbete av Hubble bör göra observationerna mer exakta.
Mystisk energi kan förstöra universum
Forskare har övervägt detta scenario i flera decennier data från Planck rymdobservatorium visar att detta är långt ifrån bara spekulationer. De publicerades 2013.
"Planck" mätte "ekot" av Big Bang, som dök upp vid universums ålder omkring 380 tusen år, temperaturen var 2 700 grader. Dessutom ändrades temperaturen. "Planck" bestämde också "sammansättningen" av universum:
- nästan 5% - stjärnor, kosmiskt damm, kosmisk gas, galaxer;
- nästan 27 % är massan av mörk materia;
- cirka 70 % är mörk energi.
Fysikern Robert Caldwell föreslog att mörk energi har kraften att växa. Och denna energi kommer att separera rum-tid. Galaxen kommer att flytta bort under de kommande tjugo till femtio miljarder år, tror forskaren. Denna process kommer att inträffa med ökande expansion av universums gränser. Detta kommer att slita Vintergatan bort från stjärnan, och den kommer också att sönderfalla.
Rymden uppmättes vara omkring sextio miljoner år gammal. Solen kommer att bli en döende dvärgstjärna, och planeterna kommer att separeras från den. Då kommer jorden att explodera. Under de kommande trettio minuterna kommer rymden att slita isär atomer. Det slutliga resultatet kommer att bli förstörelsen av rum-tidsstrukturen.
Vart flyger Vintergatan?
Jerusalems astronomer är övertygade om att Vintergatan har nått sin maximala hastighet, som är högre än universums expansionshastighet. Forskare förklarar detta med Vintergatans önskan om den "Stora Attraktionen", som anses vara den största. Det är så Vintergatan lämnar den kosmiska öknen.
Forskare använder olika metoder för att mäta universums expansionshastighet, så det finns inget enskilt resultat för denna parameter.
MOSKVA, 26 januari - RIA Novosti. En oberoende grupp forskare har bekräftat att universum verkligen expanderar ännu snabbare nu än vad beräkningar baserade på observationer av Big Bangs "eko" visade, enligt en serie på fem artiklar som accepterats för publicering i tidskriften Monthly Notices of the Royal Astronomiska sällskapet.
"Skillnader i universums nuvarande expansionshastighet och vad observationer av Big Bang visar har inte bara bekräftats, utan också stärkts av nya data om hur avlägsna galaxer böjer ljus. Dessa avvikelser kan genereras av "ny fysik" bortom Standardmodell för kosmologi, i synnerhet någon annan form av mörk energi, säger Frederic Coubrin från École Polytechnique Federale i Lausanne (Schweiz).
Universums mörka födelse
Redan 1929 bevisade den berömda astronomen Edwin Hubble att vårt universum inte står stilla, utan att det gradvis expanderar och observerar rörelsen av galaxer långt från oss. I slutet av 1900-talet upptäckte astrofysiker, genom att observera supernovor av den första typen, att den expanderar inte med konstant hastighet, utan med acceleration. Anledningen till detta, som forskare idag tror, är mörk energi - en mystisk substans som verkar på materia som en slags "antigravitation".
I juni förra året beräknade nobelpristagaren Adam Reiss och hans kollegor, som upptäckte fenomenet, den exakta expansionshastigheten för universum idag med hjälp av Cepheid variabla stjärnor i närliggande galaxer, avståndet till vilket kan beräknas med ultrahög precision.
Detta förtydligande gav ett extremt oväntat resultat - det visade sig att två galaxer, åtskilda av ett avstånd på cirka 3 miljoner ljusår, flyger iväg med en hastighet av cirka 73 kilometer per sekund. Denna siffra är märkbart högre än vad data som erhållits med WMAP- och Planck-omloppsteleskopen visar - 69 kilometer per sekund, och det kan inte förklaras med hjälp av våra befintliga idéer om naturen hos mörk energi och mekanismen för universums födelse.
Riess och hans kollegor föreslog att det också fanns en tredje "mörk" substans - "mörk strålning" (mörk strålning), som fick den att accelerera snabbare än teoretiska förutsägelser i universums tidiga dagar. Ett sådant uttalande gick inte obemärkt förbi, och H0LiCOW-samarbetet, som inkluderar dussintals astronomer från alla kontinenter på planeten, började testa denna hypotes genom att observera kvasarer - de aktiva kärnorna i avlägsna galaxer.
Spel med kosmiska ljus och linser
Kvasarer, tack vare det gigantiska svarta hålet i deras centrum, böjer strukturen av rum-tid på ett speciellt sätt och förstärker ljuset som passerar genom dess omgivning, som en gigantisk lins.
Om två kvasarer placeras bredvid varandra för observatörer på jorden inträffar en intressant sak - ljuset från den mer avlägsna kvasaren kommer att delas upp när det passerar genom gravitationslinsen i den första galaktiska kärnan. På grund av detta kommer vi att se inte två, utan fem kvasarer, varav fyra kommer att vara lätta "kopior" av ett mer avlägset objekt. Viktigast är att varje kopia kommer att representera ett "fotografi" av kvasaren vid olika tidpunkter i dess liv, på grund av den olika långa tiden det tog för deras ljus att fly från gravitationslinsen.
Varaktigheten av denna tid, som forskare förklarar, beror på universums expansionshastighet, vilket gör det möjligt att beräkna den genom att observera ett stort antal avlägsna kvasarer. Detta är vad H0LiCOW-deltagarna gjorde, letade efter liknande "dubbla" kvasarer och observerade deras "kopior".
Totalt hittade Kubrin och hans kollegor tre sådana kvasar "matryoshka dockor" och studerade dem i detalj med hjälp av Hubble och Spitzer orbitalteleskop och ett antal markbaserade teleskop på Hawaiiöarna och Chile. Dessa mätningar, enligt forskarna, gjorde det möjligt för dem att mäta Hubble-konstanten på det "genomsnittliga" kosmologiska avståndet med en felnivå på 3,8 %, vilket är flera gånger bättre än tidigare erhållna resultat.
Dessa beräkningar visade att universum expanderar med en hastighet av cirka 71,9 kilometer per sekund, vilket generellt motsvarar det resultat som Riess och hans kollegor fick på "nära" kosmologiska avstånd, och talar för existensen av någon tredjedel "mörk" substans som accelererade universum i hennes ungdom. Ett annat alternativ för att förklara avvikelserna med data är att universum egentligen inte är platt, utan liknar en sfär eller ett "dragspel". Det är också möjligt att mängden eller egenskaperna hos mörk materia har förändrats under de senaste 13 miljarder åren, vilket får universum att växa snabbare.
I vilket fall som helst planerar forskare att studera ytterligare ett hundratal liknande kvasarer för att verifiera tillförlitligheten hos de data de erhållit och för att förstå hur ett sådant ovanligt beteende hos universum kan förklaras, vilket inte passar in i vanliga kosmologiska teorier.
Så var expanderar universum egentligen? Ja, till ingenstans. Det finns ingen rymdskåp fylld med saker. Men för att förstå detta, låt oss titta på vad generell relativitetsteori säger om rum-tid.
I allmän relativitetsteori (som professionella säger) är den viktigaste egenskapen hos rum (och tid) avståndet (och tidsintervallet) mellan två punkter. Faktum är att avståndet helt avgör utrymmet. Avståndsskalans utveckling bestäms av mängden materia och energi i rymden, och allt eftersom tiden går ökar skalan och avståndet mellan galaxerna likaså. Men - och det är det konstiga - detta sker utan galaxernas faktiska rörelse.
Kanske misslyckades din intuition vid denna tidpunkt. Men det hindrar oss inte från att ta reda på konstigheterna.
Vi har redan sagt att galaxer flyttar ifrån oss. Inte riktigt. Det är bara lättare för forskare att förklara vad som verkligen händer. De lurar dig.
"Men vänta!", kommer den mest vetenskapligt kunniga av er att säga. - "Vi mäter dopplerskiftet för avlägsna galaxer." Detta så kallade "röda skift", som du känner till, är registrerat på jorden, och som sirenen från en förbipasserande ambulans låter den oss veta att det finns rörelse. Men detta är inte vad som händer på kosmologiska skalor. Det är bara det att sedan avlägsna galaxer sänder ut ljus och det nådde oss, har omfattningen av rymden på allvar förändrats och växt. I takt med att rymden har expanderat har våglängden för fotoner också ökat, varför ljuset ser rött ut.
Detta tillvägagångssätt leder till en annan fråga: "Expanderar universum verkligen snabbare än ljusets hastighet?" Det är helt sant att de flesta avlägsna galaxer ökar sitt avstånd från oss snabbare än ljusets hastighet, men vad så? De rör sig inte snabbare än ljuset (de står vanligtvis stilla). Dessutom kommer det inte att hjälpa dig på något sätt att veta detta: informationen överförs inte. Om du skickar ett paket mat till en annan galax snabbare än ljusets hastighet kan detta inte göras (och här i princip). Ljusets hastighet förblir den universella hastighetsbegränsaren.
Vi har presenterat den mest utbredda (eller väletablerade inom relativisternas område) åsikten angående kosmologisk expansion, men det vore logiskt att avsluta med att vi inte alls förstår. Allt ovanstående fungerar utmärkt om du har utrymme att kliva fram och stretcha. Men vad hände i början som gjorde att rymden formades bokstavligen ur ingenting? Fysiken har inget svar på denna fråga. Och vi får vänta tills någon dyker upp och belyser denna fråga.
Även astronomer förstår inte alltid universums expansion korrekt. En uppblåsande ballong är en gammal men bra analogi för universums expansion. Galaxer som ligger på bollens yta är orörliga, men när universum expanderar ökar avståndet mellan dem, men själva galaxerna ökar inte.
I juli 1965 tillkännagav forskare upptäckten av tydliga tecken på universums expansion från ett hetare och tätare initialtillstånd. De hittade den svalkande efterglöden från Big Bang - en reliktstrålning. Från det ögonblicket utgjorde universums expansion och kylning grunden för kosmologin. Kosmologisk expansion tillåter oss att förstå hur enkla strukturer bildades och hur de gradvis utvecklades till komplexa. 75 år efter upptäckten av universums expansion kan många forskare inte penetrera dess sanna mening. James Peebles, en kosmolog vid Princeton University som studerar den kosmiska mikrovågsbakgrundsstrålningen, skrev 1993: "Det förefaller mig som om inte ens experterna vet vilken betydelse och kapacitet den heta Big Bang-modellen har."
Välkända fysiker, författare till astronomiläroböcker och populariserare av vetenskap ger ibland en felaktig eller förvrängd tolkning av universums expansion, som låg till grund för Big Bang-modellen. Vad menar vi när vi säger att universum expanderar? Det är verkligen oroande att det nu talas om att accelerera expansionen, och det gör oss förvirrade.
RECENSION: ETT KOSMISKT MISSFÖSTÅND
* Universums expansion, ett av de grundläggande begreppen inom modern vetenskap, får fortfarande olika tolkningar.
* Termen "Big Bang" ska inte tas bokstavligt. Han var inte en bomb som exploderade i mitten av universum. Det var en explosion av själva rymden som inträffade överallt, precis när ytan på en uppblåst ballong expanderar.
* Att förstå skillnaden mellan expansion av rymden och expansion i rymden är avgörande för att förstå universums storlek, hastigheten med vilken galaxer rör sig bort, såväl som förmågan hos astronomiska observationer och arten av expansionsaccelerationen som universum är sannolikt upplever.
* Big Bang-modellen beskriver bara vad som hände efter den.
Vad är en förlängning?
När något välbekant expanderar, som en våt fläck eller Romarriket, blir de större, deras gränser expanderar och de börjar ta mer plats. Men universum verkar inte ha några fysiska gränser, och det finns ingenstans för det att röra sig. Expansionen av vårt universum är mycket lik uppblåsningen av en ballong. Avstånden till avlägsna galaxer ökar. Vanligtvis säger astronomer att galaxer rör sig iväg eller flyr ifrån oss, men de rör sig inte genom rymden, som fragment av "Big Bang-bomben". I verkligheten expanderar utrymmet mellan oss och galaxer som rör sig kaotiskt inuti praktiskt taget orörliga kluster. CMB fyller universum och fungerar som en referensram, som gummiytan på en ballong, mot vilken rörelse kan mätas.
Utanför bollen ser vi att expansionen av dess krökta tvådimensionella yta är möjlig endast för att den befinner sig i tredimensionell rymd. I den tredje dimensionen är bollens centrum lokaliserat och dess yta expanderar till volymen som omger den. Utifrån detta skulle man kunna dra slutsatsen att expansionen av vår tredimensionella värld kräver närvaron av en fjärde dimension i rymden. Men enligt Einsteins allmänna relativitetsteori är rymden dynamisk: den kan expandera, dra ihop sig och böjas.
Trafikstockning
Universum är självförsörjande. Varken ett centrum krävs för att expandera från det, eller ledigt utrymme på utsidan (var det än är) för att expandera där. Visserligen postulerar vissa nyare teorier, som strängteori, närvaron av ytterligare dimensioner, men de krävs inte eftersom vårt tredimensionella universum expanderar.
I vårt universum, som på ytan av en ballong, rör sig varje föremål bort från alla andra. Big Bang var alltså inte en explosion i rymden, utan snarare en explosion av själva rymden som inte inträffade på en specifik plats och sedan expanderar in i det omgivande tomrummet. Det hände överallt samtidigt.
HUR VAR BIG BANG UT?
FEL: Universum föddes när materia, som en bomb, exploderade på en viss plats. Trycket var högt i mitten och lågt i det omgivande tomrummet, vilket gjorde att ämnet spreds.
HÖGER: Det var en explosion av själva rymden som satte materia i rörelse. Vårt rum och tid uppstod i Big Bang och började expandera. Det fanns inget centrum någonstans, för... förhållandena var desamma överallt, det fanns inget tryckfall som var karakteristiskt för en konventionell explosion.
Om vi föreställer oss att vi spelar filmen i omvänd ordning kommer vi att se hur universums alla regioner komprimeras, och galaxerna förs närmare varandra tills de alla kolliderar i Big Bang, som bilar i en bilkö. Men jämförelsen här är inte komplett. Om det var en olycka kunde man köra runt bilkön efter att ha hört rapporter om det på radio. Men Big Bang var en katastrof som inte gick att undvika. Det är som om jordens yta och alla vägar på den var skrynkliga, men bilarna förblev lika stora. Så småningom skulle bilarna kollidera, och inget radiomeddelande kunde förhindra det. Så är Big Bang: det hände överallt, till skillnad från en bombexplosion, som inträffar vid en viss punkt, och fragmenten flyger åt alla håll.
Big Bang-teorin berättar inte för oss om universums storlek eller ens om det är ändligt eller oändligt. Relativitetsteorin beskriver hur varje region i rymden expanderar, men säger inget om storlek eller form. Ibland hävdar kosmologer att universum en gång inte var större än en grapefrukt, men de menar bara den del av det som vi nu kan observera.
Invånarna i Andromeda-nebulosan eller andra galaxer har sina egna observerbara universum. Observatörer i Andromeda kan se galaxer som är otillgängliga för oss bara för att de är lite närmare dem; men de kan inte begrunda dem som vi anser. Deras observerbara universum var också storleken på en grapefrukt. Man kan föreställa sig att det tidiga universum var som en hög av dessa frukter, som sträckte sig oändligt åt alla håll. Det betyder att tanken att Big Bang var "liten" är fel. Universums utrymme är obegränsat. Och hur du än klämmer på det så kommer det att förbli så.
Snabbare än ljuset
Missuppfattningar kan också förknippas med en kvantitativ beskrivning av expansion. Hastigheten med vilken avstånden mellan galaxer ökar följer ett enkelt mönster som upptäcktes av den amerikanske astronomen Edwin Hubble 1929: hastigheten med vilken en galax rör sig bort, v, är direkt proportionell mot dess avstånd d från oss, eller v = Hd. Proportionalitetskoefficienten H kallas Hubble-konstanten och bestämmer utvidgningshastigheten för rymden både runt oss och runt alla observatörer i universum.
Det som är förvirrande för vissa är att inte alla galaxer lyder Hubbles lag. Den stora galaxen som ligger närmast oss (Andromeda) rör sig i allmänhet mot oss och inte bort från oss. Sådana undantag uppstår eftersom Hubbles lag endast beskriver det genomsnittliga beteendet hos galaxer. Men var och en av dem kan också ha en liten egen rörelse, eftersom galaxer utövar ett gravitationsinflytande på varandra, som vår galax och Andromeda. Avlägsna galaxer har också små kaotiska hastigheter, men på ett stort avstånd från oss (vid ett stort värde på d) är dessa slumpmässiga hastigheter försumbara mot bakgrund av stora vikande hastigheter (v). Därför, för avlägsna galaxer, är Hubbles lag tillfredsställd med hög noggrannhet.
Enligt Hubbles lag expanderar inte universum i konstant takt. Vissa galaxer rör sig bort från oss med en hastighet av 1 tusen km/s, andra ligger dubbelt så långt bort, med en hastighet av 2 tusen km/s, etc. Hubbles lag indikerar alltså att galaxer från ett visst avstånd, kallat Hubble-avståndet, rör sig bort med superluminala hastigheter. För det uppmätta värdet av Hubble-konstanten är detta avstånd cirka 14 miljarder ljusår.
Men säger inte Einsteins speciella relativitetsteori att inget föremål kan färdas snabbare än ljusets hastighet? Denna fråga har förbryllat många generationer av studenter. Och svaret är att den speciella relativitetsteorin bara är tillämplig på "normala" hastigheter - på rörelse i rymden. Hubbles lag hänvisar till recessionshastigheten som orsakas av själva rymdens expansion, snarare än av rörelse genom rymden. Denna effekt av allmän relativitet är inte föremål för speciell relativitet. Närvaron av en borttagningshastighet högre än ljusets hastighet bryter inte mot den speciella relativitetsteorin på något sätt. Det är fortfarande sant att ingen kan hinna med ljusstrålen.
KAN GALAXIER BORTTAGAS MED HASTIGHETER SNABBARE ÄN LJUSHASTIGHETEN?
FEL: Einsteins partiella relativitetsteori förbjuder detta. Betrakta ett område i rymden som innehåller flera galaxer. På grund av sin expansion flyttar galaxer sig bort från oss. Ju längre bort galaxen är, desto högre hastighet (röda pilar). Om ljusets hastighet är gränsen, bör borttagningshastigheten så småningom bli konstant.
HÖGER: Klart de kan. Den partiella relativitetsteorin tar inte hänsyn till hastigheten för borttagning. Avlägsningshastigheten ökar oändligt med avståndet. Bortom ett visst avstånd, kallat Hubble-avståndet, överstiger det ljusets hastighet. Detta är inte ett brott mot relativitetsteorin, eftersom avlägsnandet inte orsakas av rörelse i rymden, utan av själva utvidgningen av rymden.
ÄR DET MÖJLIGT ATT SE GALAXIER GÅ SNABBARE ÄN LJUS?
FEL: Självklart inte. Ljuset från sådana galaxer flyger iväg med dem. Låt galaxen vara bortom Hubble-avståndet (sfären), d.v.s. flyttar ifrån oss snabbare än ljusets hastighet. Den avger en foton (markerad med gult). När fotonen flyger genom rymden expanderar själva rymden. Avståndet till jorden ökar snabbare än vad fotonen rör sig. Det kommer aldrig att nå oss.
HÖGER: Naturligtvis kan du, eftersom expansionshastigheten ändras över tiden. För det första förs fotonen faktiskt bort av expansionen. Emellertid är Hubble-avståndet inte konstant: det ökar, och så småningom kan fotonen komma in i Hubble-sfären. När detta händer kommer fotonen att röra sig snabbare än jorden rör sig bort, och den kommer att kunna nå oss.
Fotonsträckning
De första observationerna som visar att universum expanderar gjordes mellan 1910 och 1930. I laboratoriet sänder och absorberar atomer ljus, alltid vid specifika våglängder. Detsamma observeras i spektra av avlägsna galaxer, men med en förskjutning till längre våglängder. Astronomer säger att galaxens strålning är rödförskjuten. Förklaringen är enkel: när rymden expanderar sträcker sig ljusvågen och försvagas därför. Om under tiden ljusvågen nådde oss expanderade universum två gånger, då fördubblades våglängden och dess energi försvagades med hälften.
TRÄTTHETSHYPOTES
Varje gång Scientific American publicerar en artikel om kosmologi skriver många läsare till oss att de tror att galaxer inte riktigt flyttar ifrån oss och att utvidgningen av rymden är en illusion. De tror att rödförskjutningen i galaxernas spektra orsakas av något som "trötthet" från en lång resa. Någon okänd process gör att ljus, när det färdas genom rymden, förlorar energi och därför blir rött.
Denna hypotes är mer än ett halvt sekel gammal, och vid första anblicken ser den rimlig ut. Men det är helt oförenligt med observationer. Till exempel, när en stjärna exploderar som en supernova, blossar den upp och dämpas sedan. Hela processen tar cirka två veckor för supernovor av den typ som astronomer använder för att bestämma avstånd till galaxer. Under denna tidsperiod sänder supernovan ut en ström av fotoner. Ljusutmattningshypotesen säger att fotonerna kommer att förlora energi på vägen, men observatören kommer fortfarande att få en ström av fotoner som varar i två veckor.
Men i expanderande rymden sträcks inte bara fotonerna själva (och förlorar därför energi), utan deras flöde sträcks också. Därför tar det mer än två veckor för alla fotoner att nå jorden. Observationer bekräftar denna effekt. En supernovaexplosion i en galax med en rödförskjutning på 0,5 observeras i tre veckor, och i en galax med en rödförskjutning på 1 - en månad.
Ljusutmattningshypotesen motsäger också observationer av spektrumet av den kosmiska mikrovågsbakgrundsstrålningen och mätningar av ytljusstyrkan hos avlägsna galaxer. Det är dags att dra tillbaka det "trötta ljuset" (Charles Lineweaver och Tamara Davis).
Supernovor, som den här i Virgo-galaxhopen, hjälper till att mäta kosmisk expansion. Deras observerade egenskaper utesluter alternativa kosmologiska teorier där rymden inte expanderar.
Processen kan beskrivas i termer av temperatur. Fotonerna som emitteras av en kropp har en energifördelning, som i allmänhet kännetecknas av temperatur, vilket indikerar hur varm kroppen är. När fotoner rör sig genom expanderande rymden förlorar de energi och deras temperatur sjunker. Allteftersom universum expanderar kyls det, som tryckluft som kommer ut från en dykartank. Till exempel har den kosmiska mikrovågsbakgrundsstrålningen nu en temperatur på cirka 3 K, medan den föddes vid en temperatur på cirka 3 000 K. Men sedan dess har universum ökat i storlek med 1 000 gånger, och fotonernas temperatur har minskat med samma belopp. Genom att observera gas i avlägsna galaxer, mäter astronomer direkt temperaturen på denna strålning i det avlägsna förflutna. Mätningar bekräftar att universum svalnar med tiden.
Det finns också en del kontroverser angående förhållandet mellan rödförskjutning och hastighet. Rödförskjutning orsakad av expansion förväxlas ofta med den mer välbekanta rödförskjutningen som orsakas av Dopplereffekten, som vanligtvis gör ljudvågor längre om ljudkällan rör sig bort. Detsamma gäller för ljusvågor, som blir längre när ljuskällan rör sig bort i rymden.
Dopplerrödförskjutning och kosmologisk rödförskjutning är helt olika saker och beskrivs med olika formler. Den första följer av den speciella relativitetsteorin, som inte tar hänsyn till rymdens expansion, och den andra följer av den allmänna relativitetsteorin. Dessa två formler är nästan desamma för närliggande galaxer, men olika för avlägsna galaxer.
Enligt Dopplerformeln, om ett objekts hastighet i rymden närmar sig ljusets hastighet, tenderar dess rödförskjutning till oändligheten, och våglängden blir för lång och därför omöjlig att observera. Om detta var sant för galaxer, skulle de mest avlägsna synliga objekten på himlen röra sig bort med en hastighet som är märkbart lägre än ljusets hastighet. Men den kosmologiska formeln för rödförskjutning leder till en annan slutsats. I den standardiserade kosmologiska modellen rör sig galaxer med en rödförskjutning på cirka 1,5 (dvs den antagna våglängden för deras strålning är 50 % större än laboratorievärdet) med ljusets hastighet. Astronomer har redan upptäckt omkring 1000 galaxer med en rödförskjutning större än 1,5. Det betyder att vi känner till cirka 1000 föremål som rör sig bort snabbare än ljusets hastighet. CMB kommer från ett ännu större avstånd och har en rödförskjutning på cirka 1000. När den heta plasman från det unga universum avgav strålningen vi tar emot idag, rörde den sig bort från oss nästan 50 gånger snabbare än ljusets hastighet.
Springer på plats
Det är svårt att tro att vi kan se galaxer röra sig snabbare än ljusets hastighet, men detta är möjligt på grund av förändringar i expansionshastigheten. Föreställ dig en ljusstråle som kommer mot oss från ett avstånd som är större än Hubbles avstånd (14 miljarder ljusår). Den rör sig mot oss med ljusets hastighet i förhållande till sin plats, men den rör sig själv bort från oss snabbare än ljusets hastighet. Även om ljuset rusar mot oss så snabbt som möjligt, kan det inte hänga med i utvidgningen av rymden. Det är som ett barn som försöker springa baklänges nedför en rulltrappa. Fotoner på Hubble-avståndet färdas så snabbt som möjligt för att förbli på samma plats.
Du kanske tror att ljus från regioner längre än Hubble-avståndet aldrig skulle kunna nå oss och vi skulle aldrig se det. Men Hubble-avståndet förblir inte konstant, eftersom Hubble-konstanten som det beror på förändras med tiden. Detta värde är proportionellt mot hastigheten med vilken två galaxer rör sig bort, dividerat med avståndet mellan dem. (Valfria två galaxer kan användas för beräkningen.) I modeller av universum som överensstämmer med astronomiska observationer ökar nämnaren snabbare än täljaren, så Hubble-konstanten minskar. Följaktligen ökar Hubble-avståndet. Om så är fallet kan ljus som från början inte nådde oss så småningom komma inom Hubble-avståndet. Då kommer fotonerna att hamna i ett område som drar sig tillbaka långsammare än ljusets hastighet, varefter de kommer att kunna nå oss.
ÄR DET KOSMISKA RÖDA SKIFTET VERKLIGEN ETT DOPPLER-SKIFT?
FEL: Ja, eftersom vikande galaxer rör sig genom rymden. I Dopplereffekten sträcker sig ljusvågor (blir rödare) när deras källa rör sig bort från observatören. Ljusets våglängd ändras inte när det färdas genom rymden. Observatören tar emot ljuset, mäter dess rödförskjutning och beräknar galaxens hastighet.
HÖGER: Nej, rödförskjutning har inget med dopplereffekten att göra. Galaxen är nästan orörlig i rymden, så den sänder ut ljus med samma våglängd i alla riktningar. Under resan blir våglängden längre när rymden expanderar. Därför blir ljuset gradvis rött. Observatören tar emot ljuset, mäter dess rödförskjutning och beräknar galaxens hastighet. Den kosmiska rödförskjutningen skiljer sig från Dopplerskiftet, vilket bekräftas av observationer.
Däremot kan galaxen som skickade ljuset fortsätta att röra sig bort i superluminala hastigheter. Således kan vi observera ljus från galaxer som, precis som tidigare, alltid kommer att förflytta sig snabbare än ljusets hastighet. Kort sagt, Hubble-avståndet är inte fast och indikerar inte för oss gränserna för det observerbara universum.
Vad markerar egentligen gränsen för det observerbara rummet? Det finns viss förvirring här också. Om inte rymden hade expanderat, så kunde vi nu observera det mest avlägsna objektet på ett avstånd av cirka 14 miljarder ljusår från oss, d.v.s. sträckan som ljuset har färdats under de 14 miljarder år som gått sedan Big Bang. Men när universum expanderar, expanderade rymden som genomkorsas av fotonen under dess resa. Därför är det nuvarande avståndet till det mest avlägsna observerbara objektet ungefär tre gånger större - cirka 46 miljarder ljusår.
Kosmologer trodde att vi levde i ett långsammare universum och därför kunde observera fler och fler galaxer. Men i det accelererande universum är vi inhägnade av en gräns utanför vilken vi aldrig kommer att se händelser ske - detta är den kosmiska händelsehorisonten. Om ljus från galaxer som rör sig bort snabbare än ljusets hastighet når oss, kommer Hubbles avstånd att öka. Men i ett accelererande universum är dess ökning förbjuden. En avlägsen händelse kan skicka en ljusstråle i vår riktning, men det ljuset kommer för alltid att förbli bortom Hubbles avståndsgräns på grund av expansionsaccelerationen.
Som vi ser liknar det accelererande universum ett svart hål, som också har en händelsehorisont, från vilken vi inte tar emot signaler. Det nuvarande avståndet till vår kosmiska händelsehorisont (16 miljarder ljusår) ligger helt och hållet inom vårt observerbara område. Ljuset som sänds ut av galaxer som nu är längre än den kosmiska händelsehorisonten kommer aldrig att kunna nå oss, eftersom avståndet, som för närvarande motsvarar 16 miljarder ljusår, kommer att expandera för snabbt. Vi kommer att kunna se händelserna som ägde rum i galaxer innan de korsade horisonten, men vi kommer aldrig att veta om efterföljande händelser.
Expanderas allt i universum?
Folk tror ofta att om utrymmet expanderar, så expanderar allt i det också. Men detta är inte sant. Expansion som sådan (dvs genom tröghet, utan acceleration eller retardation) producerar ingen kraft. Våglängden på en foton ökar med universums tillväxt, eftersom fotoner, till skillnad från atomer och planeter, inte är sammankopplade objekt, vars storlek bestäms av kraftbalansen. Den förändrade expansionshastigheten introducerar en ny kraft i jämvikt, men den kan inte få föremål att expandera eller dra ihop sig.
Till exempel, om gravitationen blev starkare, skulle din ryggmärg krympa tills elektronerna i din ryggrad nådde en ny jämviktsposition, något närmare varandra. Din höjd skulle minska något, men kompressionen skulle stanna där. På samma sätt, om vi levde i ett universum med en övervikt av gravitationskrafter, som de flesta kosmologer trodde för några år sedan, skulle expansionen sakta ner, och alla kroppar skulle utsättas för svag kompression, vilket tvingade dem att nå en mindre jämvikt storlek. Men efter att ha nått det, skulle de inte längre krympa.
HUR STÖRSTA ÄR DET OBSERVERBARA UNIVERSUM?
FEL: Universum är 14 miljarder år gammalt, så den observerbara delen av det måste ha en radie på 14 miljarder ljusår Betrakta den mest avlägsna av de observerbara galaxerna - den vars fotoner, som sänds ut omedelbart efter Big Bang, först nu har nått. oss. Ett ljusår är den sträcka en foton tillryggalägger på ett år. Det betyder att fotonen har färdats 14 miljarder ljusår
HÖGER: När rymden expanderar har det observerade området en radie som är större än 14 miljarder ljusår. När fotonen färdas expanderar utrymmet den passerar. När den når oss blir avståndet till galaxen som sände ut det större än bara beräknat från flygtiden - ungefär tre gånger större
Faktum är att expansionen accelererar, vilket orsakas av en svag kraft som "blåser upp" alla kroppar. Därför är bundna föremål något större i storlek än de skulle vara i ett icke-accelererande universum, eftersom de når jämvikt vid en något större storlek. På jordens yta är accelerationen riktad utåt, bort från planetens centrum, en liten bråkdel ($10^(-30)$) av den normala gravitationsaccelerationen mot centrum. Om denna acceleration är konstant kommer den inte att få jorden att expandera. Det är bara det att planeten antar en något större storlek än den skulle ha varit utan den frånstötande kraften.
Men allt förändras om accelerationen inte är konstant, som vissa kosmologer tror. Om avstötningen ökar kan det så småningom orsaka kollaps av alla strukturer och leda till en "Big Rip", som inte skulle uppstå på grund av expansion eller acceleration i sig, utan på grund av att accelerationen skulle accelerera.
EXPANDERAR OCKSÅ OBJEKT I UNIVERSUM?
FEL: Ja. Expansionen gör att universum och allt i det växer sig större. Låt oss betrakta en galaxhop som ett objekt. När universum blir större, blir klustret också större. Klustergränsen (gul linje) expanderar.
HÖGER: Nej. Universum expanderar, men de anslutna objekten i det gör det inte. Närliggande galaxer flyttar till en början bort, men så småningom övervinner deras ömsesidiga attraktion expansionen. Ett kluster bildas av en storlek som motsvarar dess jämviktstillstånd.
Eftersom nya, exakta mätningar hjälper kosmologer att bättre förstå expansion och acceleration, kan de kanske ställa ännu mer grundläggande frågor om universums tidigaste ögonblick och största skalor. Vad orsakade expansionen? Många kosmologer tror att en process som kallas inflation, en speciell typ av accelererande expansion, är skyldig. Men kanske är detta bara ett delvis svar: för att det ska börja verkar det som att universum redan måste ha expanderat. Hur är det med de största skalorna bortom gränserna för våra observationer? Expanderar olika delar av universum olika, så att vårt universum bara är en blygsam inflationsbubbla i ett jättelikt superuniversum? Ingen vet. Men vi hoppas att vi med tiden kommer att kunna komma till en förståelse av universums expansionsprocess.
OM FÖRFATTARNA:
Charles H. Lineweaver och Tamara M. Davis är astronomer vid Australiens Mount Stromlo-observatorium. I början av 1990-talet. vid University of California i Berkeley var Lineweaver en del av ett team av forskare som upptäckte fluktuationer i den kosmiska mikrovågsbakgrundsstrålningen med hjälp av COBE-satelliten. Han disputerade inte bara om astrofysik, utan också om historia och engelsk litteratur. Davis arbetar på ett rymdobservatorium som kallas Supernova/Acceleration Probe.
ANMÄRKNINGAR TILL ARTIKELN "PARADOXER I BIG BANG"
Professor Anatoly Vladimirovich Zasov, fysik. Fakulteten vid Moscow State University: Alla missförstånd som artikelförfattarna argumenterar med är relaterade till det faktum att de för tydlighetens skull oftast betraktar expansionen av en begränsad volym av universum i en stel referensram (och expansionen av ett tillräckligt litet område för att inte ta hänsyn till skillnaden i tidens gång på jorden och i avlägsna galaxer i jordens referensram). Därav idén om en explosion, ett Dopplerskifte och utbredd förvirring med rörelsehastigheter. Författarna skriver, och skriver korrekt, hur allt ser ut i ett icke-tröghets (medföljande) koordinatsystem, där kosmologer vanligtvis arbetar, även om artikeln inte direkt säger detta (i princip beror alla avstånd och hastigheter på valet av referenssystem, och här är det alltid det finns en viss godtycke). Det enda som inte är tydligt skrivet är att det inte är definierat vad som menas med avstånd i det expanderande universum. Först har författarna det som ljusets hastighet multiplicerad med utbredningstiden, och sedan säger de att det också är nödvändigt att ta hänsyn till expansionen, som tog bort galaxen ännu längre medan ljuset var på väg. Således förstås avståndet redan som ljusets hastighet multiplicerat med den utbredningstid det skulle ta om galaxen slutade röra sig bort och sänder ut ljus nu. I verkligheten är allt mer komplicerat. Avstånd är en modellberoende storhet och kan inte erhållas direkt från observationer, så kosmologer klarar sig fint utan det och ersätter det med rödförskjutning. Men kanske är ett mer strikt tillvägagångssätt olämpligt här.
