Kosmologit ovat älyllisiä aikamatkustajia. Miljooniin vuosiin taaksepäin, nämä tutkijat kykenevät jäljittämään maailmankaikkeuden kehityksen hämmästyttävän yksityiskohtaisesti. Seuraavien eoneiden aikana kosmosemme on kasvanut niin valtavaan kokoon, että emme enää näe sen toista puolta.
Mutta miten tämä voi olla? Jos valon nopeus merkitsee kosmista nopeusrajoitusta, miten voi olla avaruusajan alueita, joiden fotonit ovat ikuisesti ulottumattomissamme? Ja vaikka niitä olisi, kuinka me tiedämme, että niitä on olemassa ollenkaan?
Laajeneva maailmankaikkeus
Kuten kaikki muu fysiikassa, myös universumimme pyrkii olemaan mahdollisimman pienessä energiatilassa. Mutta noin 10-36 sekunnin kuluttua isosta räjähdyksestä, inflaatiokosmologit uskovat, että kosmo löysi itsensä lepäämään sen sijaan "väärään tyhjöenergiaan" - matalaan pisteeseen, joka ei ollut oikeastaan matala piste. Etsii todellista tyhjiöenergian matalampaa tasoa, yli minuutin murto-osan hetkestä, maailmankaikkeuden uskotaan paisuneen kertoimella 1050.
Siitä lähtien universumimme on jatkanut laajentumistaan, mutta paljon hitaammin. Näemme todisteita tästä laajentumisesta etäisten esineiden valossa. Kun tähden tai galaksin lähettämät fotonit leviävät maailmankaikkeuden ympäri, avaruuden venytys aiheuttaa niiden energian menetyksen. Kun fotonit ovat saavuttaneet meidät, niiden aallonpituudet ovat siirtyneet punaisesti matkansa mukaan.
Siksi kosmologit puhuvat punasiirtymästä etäisyyden funktiona sekä tilassa että ajassa. Näiden kaukaisten esineiden valo on kulkenut niin kauan, että kun lopulta näemme sen, näemme esineet sellaisina kuin ne olivat miljardeja vuosia sitten.
Hubblen volyymi
Punaisesti siirretyn valon avulla voimme nähdä galaksien kaltaisia esineitä sellaisina kuin ne olivat olemassa kaukana menneisyydessä; mutta emme näe kaikki tapahtumia, jotka tapahtuivat maailmankaikkeudessa sen historian aikana. Koska kosmosemme laajenee, joidenkin esineiden valo on yksinkertaisesti liian kaukana, jotta meitä koskaan näemme.
Rajan fysiikka perustuu osittain ympäröivän avaruusajan kimppuun, jota kutsutaan Hubble-tilavuudeksi. Täällä maan päällä määrittelemme Hubble-tilavuuden mittaamalla jotain, jota kutsutaan Hubble-parametriksi (H0), arvo, joka kuvaa etäisten esineiden näennäisen taantumanopeuden niiden punasiirtymiseen. Se laskettiin ensimmäisen kerran vuonna 1929, kun Edwin Hubble huomasi, että kaukaiset galaksit näyttivät siirtyvän meistä nopeudella, joka oli verrannollinen heidän valonsa punaiseen siirtymiseen.
Valon nopeuden jakaminen H: lla0, saamme Hubble-volyymin. Tämä pallomainen kupla sulkee alueen, jossa kaikki esineet liikkuvat pois keskitarkkailijasta nopeudella, joka on pienempi kuin valon nopeus. Vastaavasti kaikki Hubble-tilavuuden ulkopuolella olevat esineet siirtyvät pois keskustastanopeampi kuin valon nopeus.
Kyllä, ”nopeampi kuin valon nopeus”. Kuinka tämä on mahdollista?
Suhteellisuuden taikuus
Vastaus liittyy erityisrelatiivisuuden ja yleisen suhteellisuustekijän väliseen eroon. Erityinen suhteellisuusteoria vaatii niin kutsuttua "inertiaalista viitekehystä" - yksinkertaisemmin taustaa. Tämän teorian mukaan valon nopeus on sama verrattuna kaikkiin inertioihin viitekehyksiin. Olipa tarkkailija istumassa vielä puiston penkillä maapallolla tai zoomaamassa Neptunuksen ohi futuristisessa suurten nopeuksien rakettikirjassa, valon nopeus on aina sama. Fotoni kulkee aina pois tarkkailijasta nopeudella 300 000 000 metriä sekunnissa, eikä hän koskaan pääse kiinni.
Yleinen suhteellisuusteoria kuvaa kuitenkin itse avaruuden ajan kangasta. Tässä teoriassa ei ole inertiaalista viitekehystä. Avaruusaika ei laajene suhteessa mihinkään itsensä ulkopuolelle, joten valon nopeutta rajoituksena sen nopeudelle ei sovelleta. Kyllä, Hubble-pallojemme ulkopuolella olevat galaksit taantuvat meistä nopeammin kuin valon nopeus. Mutta galaksit itse eivät riko mitään kosmisen nopeuden rajoituksia. Yhden galaksin havaitsijalle mikään ei riko erityistä suhteellisuussuhdetta. Se tila meidän ja galaksien välillä, joka lisää nopeasti ja venyy eksponentiaalisesti.
Havaittava universumi
Seuraava pommi: Hubble-tila ei ole sama asia kuin havaittavissa oleva maailmankaikkeus.
Tämän ymmärtämiseksi ajatelkaa, että maailmankaikkeuden vanhetessa etävalolla on enemmän aikaa päästä ilmaisimiin täällä maan päällä. Voimme nähdä esineitä, jotka ovat kiihtyneet nykyisen Hubble-tilavuutemme ulkopuolelle, koska tänään näkemämme valo emittoi, kun ne olivat siinä.
Tarkkaan ottaen havaittavissa oleva maailmankaikkeus osuu yhteen niin sanotun hiukkashorisontti. Hiukkashorisontti merkitsee etäisyyttä kauimpaan valoon, jonka voimme mahdollisesti nähdä tällä hetkellä - fotoneilla, joilla on ollut tarpeeksi aikaa joko pysyä tai tarttua kiinni varovasti laajenevaan Hubble-palloomme.
Ja mikä tämä etäisyys on? Hieman yli 46 miljardia valovuotta joka suuntaan - mikä antaa havaittavalle maailmankaikkeudellemme halkaisijan noin 93 miljardia valovuotta tai yli 500 miljardia biljoonia mailia.
(Pikahuomautus: hiukkashorisontti ei ole sama asia kuin kosmologinen tapahtumahorisontti. Hiukkashorisontti kattaa kaikki menneisyyden tapahtumat, joita tällä hetkellä voimme nähdä. Toisaalta kosmologinen tapahtumahorisontti määrittelee etäisyyden, jonka sisällä tulevaisuuden tarkkailija pystyy näkemään silloin muinaisen valon, jonka pieni avaruusalueen nurkkaan tänään säteilee.
Toisin sanoen hiukkashorisontti käsittelee etäisyyttä menneisiin esineisiin, joiden muinainen valo voimme nähdä tänään; kosmologinen tapahtumahorisontti käsittelee etäisyyttä, jonka nykypäivän valo, joka pystyy kulkemaan kauempana maailmankaikkeuden alueilla, kiihtyy meistä.)
Tumma energia
Maailmankaikkeuden laajentumisen ansiosta on olemassa kosmoksen alueita, joita emme koskaan näe, vaikka voisimme odottaa äärettömän aikaa heidän valonsa saavuttamaan meidät. Mutta entä ne alueet, jotka sijaitsevat nykypäivän Hubble-määrän ulkopuolella? Jos tämä pallo myös laajenee, voimmeko koskaan nähdä nuo rajakohteet?
Tämä riippuu siitä, mikä alue laajenee nopeammin - Hubble-tilavuus tai sen ulkopuolella olevat maailmankaikkeuden osat. Ja vastaus kysymykseen riippuu kahdesta asiasta: 1) onko H0 kasvaa tai vähenee, ja 2) kiihtyykö vai hidastuuko maailmankaikkeus. Nämä kaksi korkoa liittyvät läheisesti toisiinsa, mutta ne eivät ole samoja.
Itse asiassa kosmologit uskovat, että elämme tosiasiassa aikaan, jolloin H0 vähenee; mutta tumman energian takia maailmankaikkeuden laajenemisnopeus kasvaa.
Se saattaa kuulostaa kielteiseltä, mutta niin kauan kuin H0 laskee hitaammin nopeus kuin mitä maailmankaikkeuden laajentumisnopeus kasvaa, galaksien kokonaisliike meistä poispäin tapahtuu edelleen kiihtyneellä tahdilla. Ja tällä hetkellä kosmologit uskovat, että maailmankaikkeuden laajeneminen etenee Hubble-tilavuuden vaatimattomammasta kasvusta.
Joten vaikka Hubble-tilauksemme kasvaa, pimeän energian vaikutus näyttää tarjoavan kovan rajan jatkuvasti kasvavalle havaittavalle maailmankaikkeudelle.
Maalliset rajoituksemme
Kosmologeilla näyttää olevan hyvä käsitellä syviä kysymyksiä, kuten mitä havaittavissa oleva maailmankaikkeus näyttää jonain päivänä ja miten kosmoksen laajeneminen muuttuu. Mutta viime kädessä tutkijat voivat teoretisoida vastauksia tulevaisuuden kysymyksiin vain nykypäivän maailmankaikkeuden ymmärryksensä perusteella. Kosmologiset aikataulut ovat niin käsittämättömiä, että on mahdotonta sanoa paljoakaan mitään konkreettista siitä, kuinka maailmankaikkeus käyttäytyy tulevaisuudessa. Nykypäivän mallit sopivat nykyiseen tietoon huomattavasti hyvin, mutta totuus on, että kukaan meistä ei elää tarpeeksi kauan nähdäkseen, vastaavatko ennusteet todella kaikkia tuloksia.
Pettymys? Varma. Mutta aivan vaivan arvoinen, jotta auttamaan ahdistuneita aivojamme harkitsemaan tällaista mielenkiintoista tiedettä - todellisuus, joka, kuten tavallista, on vain muukalainen kuin fiktio.
