Истории жизни 137

Истории жизни 137

НАСКОЛЬКО ВЕЛИКА НАБЛЮДАЕМАЯ ВСЕЛЕННАЯ?
НЕВЕРНО: Вселенной 14 млрд. лет, поэтому наблюдаемая её часть должна иметь радиус 14 млрд. световых лет.
Рассмотрим самую далёкую из наблюдаемых галактик — ту, чьи фотоны, испущенные сразу после Большого взрыва, только теперь достигли нас. Световой год — это расстояние, проходимое фотоном за год. Значит, фотон преодолел 14 млрд. световых лет.

ВЕРНО: Поскольку пространство расширяется, наблюдаемая область имеет радиус больше, чем 14 млрд. световых лет.
Пока фотон путешествует, пространство, которое он пересекает, расширяется. К моменту, когда он достигает нас, расстояние до испустившей его галактики становится больше, чем просто вычисленное по времени полёта, — приблизительно втрое больше
А что в действительности отмечает границу наблюдаемого пространства? Здесь тоже происходит некая путаница. Если бы пространство не расширялось, то самый отдалённый объект мы могли бы наблюдать теперь на расстоянии около 14 млрд. световых лет от нас, т. е. на расстоянии, которое свет преодолел за 14 млрд. лет, прошедших с момента Большого взрыва. Но поскольку Вселенная расширяется, пространство, пересечённое фотоном, расширилось за время его пути. Поэтому текущее расстояние до самого удалённого из наблюдаемых объектов примерно втрое больше — около 46 млрд. световых лет.
Раньше космологи думали, что мы живём в замедляющейся Вселенной и поэтому можем наблюдать всё больше и больше галактик. Однако в ускоряющейся Вселенной мы отгорожены границей, вне которой никогда не увидим происходящие события — это космический горизонт событий. Если свет от галактик, удаляющихся быстрее скорости света, достигнет нас, значит, расстояние Хаббла увеличится. Но в ускоряющейся Вселенной его увеличение запрещено. Удалённое событие может послать луч света в нашем направлении, но этот свет навсегда останется за пределом расстояния Хаббла из-за ускорения расширения.
Как видим, ускоряющаяся Вселенная напоминает чёрную дыру, тоже имеющую горизонт событий, извне которого мы не получаем сигналов. Нынешнее расстояние до нашего космического горизонта событий (16 млрд. световых лет) целиком лежит в пределах нашей наблюдаемой области. Свет, испущенный галактиками, находящимися сейчас дальше космического горизонта событий, никогда не сможет достигнуть нас, т. к. расстояние, которое сейчас соответствует 16 млрд. световых лет, будет расширяться слишком быстро. Мы сможем увидеть события, происходившие в галактиках прежде, чем они пересекли горизонт, но о последующих событиях мы не узнаем никогда.
Во Вселенной расширяется всё?
Люди часто думают, что если пространство расширяется, то и всё в нём тоже расширяется. Но это неверно. Расширение как таковое (т. е. по инерции, без ускорения или замедления) не производит никакой силы. Длина волны фотона увеличивается вместе с ростом Вселенной, поскольку в отличие от атомов и планет фотоны не связанные объекты, размеры которых определяются равновесием сил. Изменяющаяся скорость расширения действительно вносит новую силу в равновесие, но и она не может заставить объекты расширяться или сжиматься.
Например, если бы гравитация стала сильнее, ваш спинной мозг сжался бы, пока электроны в позвоночнике не достигли бы нового положения равновесия, чуть ближе друг к другу. Ваш рост немного уменьшился бы, но сжатие на этом прекратилось бы. Точно так же, если бы мы жили во Вселенной с преобладанием сил тяготения, как ещё несколько лет назад считало большинство космологов, то расширение замедлялось бы, а на все тела действовало бы слабое сжатие, заставляющее их достигать меньшего равновесного размера. Но, достигнув его, они бы больше не сжимались.
Фактически же расширение ускоряется, что вызвано слабой силой, „раздувающей“ все тела. Поэтому связанные объекты имеют размеры немного больше, чем были бы в неускоряющейся Вселенной, поскольку равновесие сил достигается у них при немного большем размере. На поверхности Земли ускорение, направленное наружу, от центра планеты, составляет мизерную долю (10–30 ) нормального гравитационного ускорения к центру. Если это ускорение неизменно, то оно не заставит Землю расширяться. Просто планета принимает чуть больший размер, чем он был бы без силы отталкивания.
Но всё изменится, если ускорение не постоянно, как полагают некоторые космологи. Если отталкивание увеличивается, то это может в конце концов вызвать разрушение всех структур и привести к „Большому разрыву“, который произошёл бы не из-за расширения или ускорения как такового, а потому что ускорение ускорялось бы.
По мере того как новые точные измерения помогают космологам лучше понять расширение и ускорение, они могут задаться ещё более фундаментальными вопросами о самых ранних мгновениях и наибольших масштабах Вселенной. Чем было вызвано расширение? Многие космологи считают, что в этом виноват процесс, называемый „инфляцией“ (раздуванием), особый тип ускоряющегося расширения. Но возможно, это лишь частичный ответ: чтобы она началась, похоже, Вселенная уже должна была расширяться. А что относительно наибольших масштабов за пределом наших наблюдений? Расширяются ли разные части Вселенной по-разному, так, что наша Вселенная — это всего лишь скромный инфляционный пузырь в гигантской сверхвселенной? Никто не знает. Но мы надеемся, что со временем мы сможем прийти к пониманию процесса расширения Вселенной.
Замечания к статье «парадоксы Большого взрыва»
Профессор Засов Анатолий Владимирович, физ. ф-т МГУ:
Все недоразумения, с которыми спорят авторы статьи, связаны с тем, что для наглядности чаще всего рассматривают расширение ограниченного объёма Вселенной в жёсткой системе отсчёта (причём расширение достаточно маленькой области, чтобы не учитывать разность хода времени на Земле и на далёких галактиках в земной системе отсчёта). Отсюда представление и о взрыве, и о доплеровском смещении, и распространённая путаница со скоростями движения. Авторы же пишут, и пишут правильно, как всё выглядит в неинерциальной (сопутствующей) системе координат, в которой обычно работают космологи, хотя в статье прямо не говорится об этом (в принципе, все расстояния и скорости зависят от выбора системы отсчёта, и здесь всегда есть некий произвол). Единственно, что написано нечётко, так это то, что не определено, что же в расширяющейся Вселенной понимается под расстоянием. Сначала у авторов это скорость света, умноженная на время распространения, а далее говорится, что необходим ещё учёт расширения, которое удалило галактику ещё больше, пока свет был в пути. Таким образом, расстояние уже понимается как скорость света, умноженная на время распространения, которое он потратил бы, если бы галактика перестала удаляться и излучила свет сейчас. В действительности всё сложнее. Расстояние — величина модельно зависимая и непосредственно из наблюдений не получаемая, поэтому космологи без него прекрасно обходятся, заменяя красным смещением. Но может быть, более строгий подход здесь и неуместен.
Об авторах:
Чарльз Линевивер (Charles H. Lineweaver) и Тамара Дэвис (Tamara M. Davis) — астрономы из австралийской обсерватории Маунт-Стромло. В начале 1990-х гг. в Калифорнийском университете в Беркли Линевивер входил в группу учёных, открывших с помощью спутника COBE флуктуации реликтового излучения. Он защитил диссертацию не только по астрофизике, но и по истории и английской литературе. Дэвис работает над созданием космической обсерватории Supernova/Acceleration Probe (Исследователь сверхновых звёзд и ускорения).