Οι κοσμολόγοι είναι πνευματικοί ταξιδιώτες του χρόνου. Κοιτάζοντας πίσω πάνω από δισεκατομμύρια χρόνια, αυτοί οι επιστήμονες είναι σε θέση να εντοπίσουν την εξέλιξη του Σύμπαντός μας με εκπληκτική λεπτομέρεια. Με τα επόμενα αιώνες, ο κόσμος μας έχει εξελιχθεί σε τόσο μεγάλο μέγεθος που δεν μπορούμε πλέον να δούμε την άλλη πλευρά του.
Αλλά πώς μπορεί να είναι αυτό; Εάν η ταχύτητα του φωτός σηματοδοτεί ένα κοσμικό όριο ταχύτητας, πώς μπορεί να υπάρχουν περιοχές χωροχρόνου των οποίων τα φωτόνια είναι για πάντα μακριά από μας; Και ακόμη και αν υπάρχουν, πώς ξέρουμε ότι υπάρχουν καθόλου;
Το Διευρυνόμενο Σύμπαν
Όπως όλα τα άλλα στη φυσική, το Σύμπαν μας προσπαθεί να υπάρχει στη χαμηλότερη δυνατή ενεργειακή κατάσταση. Αλλά περίπου 10-36 δευτερόλεπτα μετά τη Μεγάλη Έκρηξη, οι πληθωριστικοί κοσμολόγοι πιστεύουν ότι ο Κόσμος στηρίζεται σε μια «ψεύτικη ενέργεια κενού» - ένα χαμηλό σημείο που δεν ήταν πραγματικά ένα χαμηλό σημείο. Αναζητώντας το αληθινό ναδίρ ενέργειας κενού, πάνω από ένα λεπτό κλάσμα της στιγμής, το Σύμπαν πιστεύεται ότι έχει διογκωθεί από έναν παράγοντα 1050.
Από τότε, το Σύμπαν μας συνέχισε να επεκτείνεται, αλλά με πολύ πιο αργό ρυθμό. Βλέπουμε ενδείξεις αυτής της επέκτασης στο φως από μακρινά αντικείμενα. Καθώς τα φωτόνια που εκπέμπονται από ένα αστέρι ή γαλαξία διαδίδονται σε όλο το Σύμπαν, το τέντωμα του χώρου τους αναγκάζει να χάσουν ενέργεια. Μόλις φτάσουν τα φωτόνια, τα μήκη κύματος τους έχουν μετατοπιστεί εκ νέου ανάλογα με την απόσταση που έχουν διανύσει.
Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο οι κοσμολόγοι μιλούν για την ερυθρή μετατόπιση ως συνάρτηση της απόστασης τόσο στο χώρο όσο και στο χρόνο. Το φως από αυτά τα μακρινά αντικείμενα ταξιδεύει για τόσο μεγάλο χρονικό διάστημα που, όταν το βλέπουμε τελικά, βλέπουμε τα αντικείμενα όπως ήταν δισεκατομμύρια χρόνια πριν.
Ο τόμος του Χαμπλ
Το κόκκινο φως μας επιτρέπει να βλέπουμε αντικείμενα όπως γαλαξίες όπως υπήρχαν στο μακρινό παρελθόν. αλλά δεν μπορούμε να δούμε όλα γεγονότα που συνέβησαν στο Σύμπαν μας κατά τη διάρκεια της ιστορίας του. Επειδή ο κόσμος μας επεκτείνεται, το φως από ορισμένα αντικείμενα είναι απλά πολύ μακριά για να το δούμε ποτέ.
Η φυσική αυτού του ορίου βασίζεται, εν μέρει, σε ένα κομμάτι του γύρω χωροχρόνου που ονομάζεται τόμος Hubble. Εδώ στη Γη, ορίζουμε τον όγκο Hubble μετρώντας κάτι που ονομάζεται παράμετρος Hubble (H0), μια τιμή που συσχετίζει την φαινομενική ταχύτητα ύφεσης των απομακρυσμένων αντικειμένων με την κόκκινη μετατόπισή τους. Υπολογίστηκε για πρώτη φορά το 1929, όταν ο Edwin Hubble ανακάλυψε ότι οι μακρινοί γαλαξίες φάνηκαν να απομακρύνονται από εμάς με ρυθμό ανάλογο με την κόκκινη μετατόπιση του φωτός τους.
Διαίρεση της ταχύτητας του φωτός με H0, έχουμε τον όγκο του Hubble. Αυτή η σφαιρική φυσαλίδα περικλείει μια περιοχή όπου όλα τα αντικείμενα απομακρύνονται από έναν κεντρικό παρατηρητή σε ταχύτητες μικρότερες από την ταχύτητα του φωτός. Αντίστοιχα, όλα τα αντικείμενα εκτός του τόμου του Χαμπλ απομακρύνονται από το κέντρογρηγορότερα από την ταχύτητα του φωτός.
Ναι, "γρηγορότερα από την ταχύτητα του φωτός." Πώς είναι αυτό δυνατόν?
Η Μαγεία της Σχετικότητας
Η απάντηση έχει να κάνει με τη διαφορά μεταξύ της ειδικής σχετικότητας και της γενικής σχετικότητας. Η ειδική σχετικότητα απαιτεί αυτό που ονομάζεται «αδρανειακό πλαίσιο αναφοράς» - πιο απλά, ένα σκηνικό. Σύμφωνα με αυτήν τη θεωρία, η ταχύτητα του φωτός είναι η ίδια σε σύγκριση με όλα τα αδρανειακά πλαίσια αναφοράς. Είτε ένας παρατηρητής κάθεται ακίνητος σε ένα παγκάκι πάρκου στον πλανήτη Γη είτε ζουμ πέρα από τον Ποσειδώνα σε ένα φουτουριστικό πύραυλο υψηλής ταχύτητας, η ταχύτητα του φωτός είναι πάντα η ίδια. Ένα φωτόνιο ταξιδεύει πάντα μακριά από τον παρατηρητή στα 300.000.000 μέτρα ανά δευτερόλεπτο και αυτός ή αυτή δεν θα φτάσει ποτέ.
Η γενική σχετικότητα, ωστόσο, περιγράφει τον ίδιο τον ιστό του χωροχρόνου. Σε αυτήν τη θεωρία, δεν υπάρχει αδρανειακό πλαίσιο αναφοράς. Ο χωροχρόνος δεν επεκτείνεται σε σχέση με οτιδήποτε εκτός του εαυτού του, επομένως η ταχύτητα του φωτός ως όριο στην ταχύτητά του δεν ισχύει. Ναι, οι γαλαξίες έξω από τη σφαίρα του Χαμπλ υποχωρούν από εμάς γρηγορότερα από την ταχύτητα του φωτός. Αλλά οι ίδιοι οι γαλαξίες δεν σπάζουν κανένα κοσμικό όριο ταχύτητας. Σε έναν παρατηρητή σε έναν από αυτούς τους γαλαξίες, τίποτα δεν παραβιάζει καθόλου την ειδική σχετικότητα. Είναι ο χώρος ανάμεσα σε εμάς και αυτούς τους γαλαξίες που πολλαπλασιάζεται γρήγορα και εκτείνεται εκθετικά.
Το παρατηρήσιμο σύμπαν
Τώρα για την επόμενη βόμβα: Ο τόμος του Χαμπλ δεν είναι το ίδιο με το παρατηρήσιμο Σύμπαν.
Για να το καταλάβετε, σκεφτείτε ότι καθώς το Σύμπαν μεγαλώνει, το μακρινό φως έχει περισσότερο χρόνο να φτάσει στους ανιχνευτές μας εδώ στη Γη. Μπορούμε να δούμε αντικείμενα που έχουν επιταχυνθεί πέρα από τον τρέχοντα όγκο Hubble, επειδή το φως που βλέπουμε σήμερα εκπέμπεται όταν ήταν μέσα σε αυτό.
Αυστηρά, το παρατηρήσιμο Σύμπαν μας συμπίπτει με κάτι που ονομάζεται σωματιδιακός ορίζοντας. Ο ορίζοντας των σωματιδίων σηματοδοτεί την απόσταση από το πιο μακρινό φως που μπορούμε να δούμε αυτή τη στιγμή - φωτονία που είχαν αρκετό χρόνο είτε να παραμείνουν μέσα είτε να φτάσουν μέχρι την ήπια αναπτυσσόμενη σφαίρα του Χαμπλ.
Και ποια είναι αυτή η απόσταση; Λίγο περισσότερο από 46 δισεκατομμύρια έτη φωτός προς κάθε κατεύθυνση - δίνοντας στο παρατηρήσιμο Σύμπαν μας διάμετρο περίπου 93 δισεκατομμύρια έτη φωτός, ή περισσότερα από 500 δισεκατομμύρια τρισεκατομμύρια μίλια.
(Μια γρήγορη σημείωση: ο ορίζοντας σωματιδίων δεν είναι το ίδιο με το κοσμολογικός ορίζοντας γεγονότων. Ο ορίζοντας σωματιδίων περιλαμβάνει όλα τα γεγονότα του παρελθόντος που μπορούμε να δούμε. Ο κοσμολογικός ορίζοντας γεγονότων, από την άλλη πλευρά, καθορίζει μια απόσταση εντός της οποίας ένας μελλοντικός παρατηρητής θα μπορεί να δει το τότε αρχαίο φως που εκπέμπει σήμερα η μικρή γωνιά του χωροχρόνου.
Με άλλα λόγια, ο ορίζοντας σωματιδίων ασχολείται με την απόσταση από τα προηγούμενα αντικείμενα των οποίων το αρχαίο φως που μπορούμε να δούμε σήμερα. ο κοσμολογικός ορίζοντας γεγονότων ασχολείται με την απόσταση που το σημερινό φως που θα μπορεί να ταξιδέψει καθώς οι μακρινές περιοχές του Σύμπαντος επιταχύνονται μακριά από εμάς.)
Σκοτεινή ενέργεια
Χάρη στην επέκταση του Σύμπαντος, υπάρχουν περιοχές του σύμπαντος που δεν θα δούμε ποτέ, ακόμη και αν μπορούσαμε να περιμένουμε ένα άπειρο χρονικό διάστημα για να φτάσει το φως τους σε μας. Τι γίνεται όμως με εκείνες τις περιοχές που βρίσκονται πέρα από τα όρια του σημερινού μας τόμου Χαμπλ; Εάν αυτή η σφαίρα επεκτείνεται, θα μπορέσουμε ποτέ να δούμε αυτά τα οριακά αντικείμενα;
Αυτό εξαρτάται από ποια περιοχή επεκτείνεται γρηγορότερα - τον όγκο του Χαμπλ ή τα μέρη του Σύμπαντος ακριβώς έξω από αυτό. Και η απάντηση σε αυτήν την ερώτηση εξαρτάται από δύο πράγματα: 1) εάν H0 αυξάνεται ή μειώνεται, και 2) εάν το Σύμπαν επιταχύνεται ή επιβραδύνεται. Αυτά τα δύο ποσοστά σχετίζονται στενά, αλλά δεν είναι τα ίδια.
Στην πραγματικότητα, οι κοσμολόγοι πιστεύουν ότι ζούμε πραγματικά σε μια εποχή που ο Η0 μειώνεται. αλλά λόγω της σκοτεινής ενέργειας, η ταχύτητα της επέκτασης του Σύμπαντος αυξάνεται.
Αυτό μπορεί να ακούγεται αντίθετο, αλλά όσο το H0 μειώνεται πιο αργά τιμή από αυτό που αυξάνεται η ταχύτητα επέκτασης του Σύμπαντος, η συνολική κίνηση των γαλαξιών μακριά από μας συμβαίνει ακόμα με επιταχυνόμενο ρυθμό. Και αυτή τη στιγμή, οι κοσμολόγοι πιστεύουν ότι η επέκταση του Σύμπαντος θα ξεπεράσει την πιο μέτρια αύξηση του όγκου του Χαμπλ.
Έτσι, παρόλο που ο όγκος του Hubble επεκτείνεται, η επίδραση της σκοτεινής ενέργειας φαίνεται να παρέχει ένα σκληρό όριο στο συνεχώς αυξανόμενο παρατηρήσιμο Σύμπαν.
Οι Γήινοι Περιορισμοί μας
Οι κοσμολόγοι φαίνεται να έχουν καλή συμπεριφορά σε βαθιά ερωτήματα όπως το πώς θα παρατηρηθεί κάποια στιγμή το παρατηρήσιμο σύμπαν μας και πώς θα αλλάξει η επέκταση του κόσμου. Αλλά τελικά, οι επιστήμονες μπορούν μόνο να θεωρήσουν τις απαντήσεις σε ερωτήσεις σχετικά με το μέλλον με βάση τη σημερινή κατανόησή τους για το Σύμπαν. Τα κοσμολογικά χρονοδιαγράμματα είναι τόσο αδιανόητα μακρά που είναι αδύνατο να πούμε πολλά από συγκεκριμένα για το πώς θα συμπεριφερθεί το Σύμπαν στο μέλλον. Τα σημερινά μοντέλα ταιριάζουν πολύ καλά με τα τρέχοντα δεδομένα, αλλά η αλήθεια είναι ότι κανένας από εμάς δεν θα ζήσει αρκετά για να δει αν οι προβλέψεις ταιριάζουν πραγματικά με όλα τα αποτελέσματα.
Απογοητευτικός? Σίγουρος. Ωστόσο, αξίζει τον κόπο να βοηθήσουμε τους μυαλό μας να εξετάσουν μια τέτοια επιστήμη που σκέφτεται το μυαλό - μια πραγματικότητα που, ως συνήθως, είναι απλώς ξένη από τη μυθοπλασία.
