Как и куда расширяется вселенная?

КОСМОС
22 января

Как и куда расширяется вселенная?

Я думаю многие слышали о том, что Вселенная расширяется. У моих читателей возникает множество вопросов связанных с этим. В этой статье я постарался ответить на наиболее типичные из них.
Как работает расширение вселенной?

Когда мы смотрим на отдаленные объекты, мы можем заметить, что они отдаляются от нас, при этом чем дальше от нас находится объект, тем быстрее он отдаляется. К примеру объекты находящиеся от нас на расстоянии 13.8 миллиардов световых лет (сфера Хаббла) отдаляются от нас со скоростью света, а объекты находящиеся еще дальше – отдаляются быстрее скорости света!
Наблюдаемая вселенная и сфера Хаббла. Границы сферы Хаббла ограничены самым маленьким кругом. Источник: wikipedia.org

Казалось бы происходит нарушение теории относительности, которая запрещает сверхсветовое движение, но на самом деле это не так. Так отдаленные галактики отдаляются от нас не за счет собственного движения, а за счет того, что между нами и ними пространство расширяется настолько быстро, что для расстояние увеличивается быстрее скорости света.
Почему отдаленные галактики удаляются быстрее?

Потому, что пространство расширяется везде и повсеместно равномерно во всех точках. К примеру если во вселенной каждый метр пространства увеличится на 1 сантиметр за 1 секунду, то тогда объекты расположенные на расстоянии 1 километр друг от друга отдалятся за 1 секунду друг от друга на 10 метров. А на расстоянии 100 километров - на 1000 метров. А на расстоянии 1000 километров - на 10 000 метров и так далее - чем больше расстояние между объектами, тем больше пространства между ними возникает за единицу времени.
При равномерном повсеместном расширении расстояние между далекими точками увеличивается быстрее. Это хорошо заметно например если нанести точки на поверхность надуваемого шара. Дальние точки будут удаляться друг от друга быстрее, чем ближние.

Почему все галактики удаляется от нас? Значит ли это, что мы находимся в центре расширения? В центре вселенной? Нет, не значит. Так как пространство расширяется повсеместно и равномерно то какую бы галактику вы не выбрали, как точку обзора, из нее все будет выглядеть так, как будто это она находится в центре расширения, но по сути никакого центра расширения просто нет.

На расстоянии примерно 46.5 миллиардов световых лет находится граница наблюдаемой вселенной. Все что находится за ней мы никогда не сможем увидеть. Просто потому, что фотоны испущенные объектами находящимися за границей наблюдаемой вселенной никогда не достигнут нас - пространство между ними и нами будет возникать быстрее, чем фотоны будут успевать преодолевать его. Это расстояние еще называют горизонтом частиц.
Куда расширяется вселенная?

Теперь возникает следующий вопрос – куда же расширяется вселенная? Ответ на него донельзя прозаичен – никуда. Все дело в том, что вселенная бесконечна и не имеет границ. Более того вселенная всегда была бесконечна, даже в момент Большого Взрыва. Когда физик или астроном говорит, что в момент большого взрыва вселенная была сжата до микроскопического размера речь идет о размерах наблюдаемой вселенной, а не всей вселенной.
Краткая история вселенной от большого взрыва до наших дней. Источник: wikipedia.org

Расширение вселенной таким образом является внутренним процессом, а не внешним. Во вселенной увеличиваются расстояния между объектами, но сама вселенная, как была так и остается бесконечной. Вселенной не нужно никакое внешнее пространство в которое она бы расширялась.
Почему случаются столкновения галактик?

Если мы расширяемся, почему тогда наша галактика столкнется с галактикой Андромеда через 4 с небольшим миллиарда лет, да и другие галактики сталкиваются – тому есть подтверждения? Все просто – чем ближе друг к другу объекты – тем меньше пространства между ними возникает в ходе расширения.
Различные сталкивающиеся галактики. Источник: wikipedia.org


Расстояние между некоторыми близкими галактиками достаточно мало, чтобы за счет сил гравитационного притяжения они приближались друг к другу быстрее, чем успевает расширяться пространство между ними.
Так что, так и будет расширяться бесконечно?

В целом да, но возможно три допустимых финала: большое схлопывание, большой разрыв и большое замерзание (тепловая смерть вселенной).

Если верна теория большого схлопывания, то в какой-то момент силы гравитации материи остановят расширение вселенной и начнется ее сжатие обратно в сингулярность. Затем последует новый большой взрыв и новое расширение - так вселенная и существует постоянно то расширяясь, то сжимаясь.
Три основных модели расширения вселенной. Источник: wordpress.com

Второй сценарий – большой разрыв состоит в том, что ускоренное расширение вселенной приведет к тому, что расстояние между элементарными частицами увеличится настолько, что станут невозможными какие-либо виды взаимодействий между ними. Это может случится примерно через 22 миллиарда лет.

    Читайте также: Почему скорость света нельзя превысить?

Третий сценарий состоит в том, что силы гравитации будут замедлять расширение вселенной, но никогда его не остановят, что в итоге приведет к тому, что расстояния между объектами будут увеличиваться, а вселенная будет "остывать" и рано или поздно достигнет состояния термостатического равновесия.

Текущие наблюдения показывают, что скорее всего вселенную ждет второй сценарий – большой разрыв. Но это пока еще не точно.