Якщо Всесвіт розширюється, то у що саме?
Протягом майже 60 років Великий вибух залишається найуспішнішою теорією, що пояснює походження всього на світі. Почавшись із гарячого, щільного, багатого матерією та випромінюванням стану, Всесвіт відтоді розширювався й охолоджувався. У процесі еволюції в ньому спочатку утворилися протони і нейтрони, перші легкі елементи, стабільні атоми і, врешті-решт, зірки, галактики, планети і складна хімія, здатна породити життя. Через 13,8 мільярда років після того, як усе почалося, ми спостерігаємо за Всесвітом, що все ще розширюється, і намагаємося зрозуміти, звідки все це взялося і як стало таким, яким ми його бачимо сьогодні.
Але якщо Всесвіт розширюється весь цей час, то у що? Або куди?
Проста відповідь на це запитання настільки ж стисла, наскільки й незадовільна: Всесвіт розширюється сам у себе, а не в будь-яке “зовнішнє” середовище. Це ще один приклад того, як загальна теорія відносності суперечить нашому повсякденному досвіду та інтуїції.
Як уперше помітив Весто Мелвін Слайфер у 1910-х роках, у деяких об’єктів, які ми спостерігаємо, є спектральні ознаки поглинання або випромінювання певних атомів, іонів або молекул, але із систематичним зсувом у червону або синю частину світлового спектра. У поєднанні з вимірюваннями відстані до цих об’єктів ці дані привели до первісної ідеї Всесвіту, що розширюється: що далі галактика, то червонішим її світло здаватиметься нашим очам і приладам.
Коли ми розбиваємо світло Сонця на різні довжини хвиль, з яких воно складається, ми займаємося спектроскопією. Ми можемо легко побачити сигнатури багатьох різних елементів та ідентифікувати лінії, які пов’язані з певними переходами в атомах із різною кількістю протонів у ядрі.
І ось що важливо: судячи з особливостей поглинання та/або випромінювання далеких об’єктів у Всесвіті, вони складаються з тих самих елементів, з яких складаються наше Сонце і Земля. Атоми, з яких вони складаються, поглинають і випромінюють світло згідно з тією самою фізикою, що й відомі нам атоми, і, отже, вони випромінюють і поглинають світло тих самих довжин хвиль і частот, що й атоми, з якими ми взаємодіємо.
Спектр сонячного світла
Але коли ми спостерігаємо світло від інших об’єктів у Всесвіті, ми практично ніколи не бачимо тих самих довжин хвиль і частот, які ми бачимо у світлі, яке ми створюємо в лабораторії або яке випромінює наше Сонце. Замість цього всі спектральні лінії, які ми бачимо, систематично зміщені відносно одна одної залежно від того, на який об’єкт ми дивимося. Ба більше, кожна лінія, що належить певному об’єкту, буде зміщена на один і той самий коефіцієнт.
Існує три основні чинники, які можуть спричинити такий зсув, і в принципі кожен із них може впливати на кожен об’єкт:
- Різниця в гравітаційному потенціалі між тим місцем, де світло було випущено, і тим, де воно поглинається. Падаючи в гравітаційну “діру”, світло отримує енергію і зміщується в бік коротших довжин хвиль, відчуваючи блакитне зміщення. Коли світло забирається на гравітаційний “пагорб”, воно втрачає енергію і зміщується в бік довших хвиль, відчуваючи червоний зсув. Це передбачено в рамках загальної теорії відносності, оскільки кривизна простору не тільки вказує матерії, як рухатися, а й повідомляє світлу і всім формам випромінювання, як змінюватися.
2. Рух джерела щодо спостерігача: те, що ми умовно називаємо доплерівським зміщенням. Найчастіше ми стикаємося з ним на прикладі звуків. Коли транспортний засіб, що видає звук, – наприклад, поліцейська машина, вантажівка з морозивом або любитель басів – рухається до вас, звук, який ви чуєте, здаватиметься вищим. Коли він віддаляється від вас, звук стає нижчим. Те саме відбувається зі світлом і з усіма хвилями: якщо джерело і спостерігач рухаються назустріч одне одному, світло, яке бачить спостерігач, буде синім, а якщо вони рухаються відносно одне одного, світло, яке бачить спостерігач, буде червонішим. - І, нарешті, ефект розширення Всесвіту. Коли світло проходить через Всесвіт, кожен його окремий фотон має певну довжину хвилі, що визначає його енергію. Якщо Всесвіт розширюється, довжини хвиль світла також розтягуються, викликаючи червоний зсув; аналогічно, якби Всесвіт стискався (що також могло б відбуватися, але не спостерігається), довжина хвилі теж стискалася б, викликаючи блакитний зсув.
Якщо ви хочете зрозуміти, як розширюється Всесвіт, то програма дій досить проста. Потрібно вивчити великий набір об’єктів, дивлячись у різних напрямках і на різні відстані, і вимірювати сумарне червоне (або блакитне) зміщення кожного з них. Потім потрібно скласти карту Всесвіту, наскільки це можливо, і використовувати цю інформацію, щоб зробити висновок про вплив гравітаційного червоного/блакитного зміщення, а також про вплив руху окремих об’єктів щодо вас. Усе, що залишиться, коли ви врахуєте все інше, можна буде віднести на рахунок розширення Всесвіту.
Що ж ми дізнаємося, виконуючи цю програму в реальності? Кілька речей, які можуть вас зацікавити, зокрема такі:
Для відносно близьких до нас об’єктів – у межах кількох десятків мільйонів світлових років – домінують ефекти локальних рухів. Не можна надійно виміряти розширення Всесвіту, дивлячись тільки на об’єкти, розташовані в нашому власному “районі”.
Об’єкти, гравітаційно пов’язані один з одним, включно із зірками, зоряними системами, зоряними скупченнями, кульовими скупченнями, окремими галактиками та навіть пов’язаними групами і скупченнями галактик, не зазнають впливу Всесвіту, що розширюється.
Гравітаційний червоний і блакитний зсув, на щастя, є здебільшого нехтувано малим ефектом, що становить у середньому набагато менше 1% від загального виміряного ефекту.
Але на великих космічних масштабах, тобто для об’єктів, що перебувають на відносно великих відстанях від нас (сотні мільйонів, мільярди і навіть десятки мільярдів світлових років), розширення Всесвіту – єдиний ефект, який має значення.
Це найкращий метод вивчення того, як розширюється простір у міру еволюції Всесвіту: подивитися на всі ці об’єкти, розкидані по Всесвіту, ігноруючи найближчі, і в середньому зробити висновок про те, як розширюється Всесвіт.
Є дві поширені аналогії, які ми використовуємо, щоб надати фізичного сенсу Всесвіту, що розширюється, хоча кожна з них має свої обмеження.
Одна з них полягає в тому, щоб розглядати Всесвіт як повітряну кулю, а точніше, як кулю з приклеєними (або іншим чином прикріпленими) до її поверхні монетами. Всесвіт, що розширюється, таким чином, подібний до надування (або здування) цієї кулі, а монети на поверхні кулі – аналог галактик у всьому космосі. Якщо ви самі живете в галактиці – усередині однієї з цих монет, – то в міру розширення Всесвіту ви побачите, як усі монети віддаляються одна від одної, зокрема й від вас. Монети, що знаходяться поруч з вами, віддаляються відносно повільно; монети, що знаходяться далі, віддаляються все швидше і швидше. Річ не в тім, що монети “рухаються” відносно тканини простору-часу, а в тому, що розширення простору з часом розсовує їх дедалі далі й далі одна від одної.
Але у цієї аналогії, безумовно, є свої недоліки. Проблема в тому, що поверхня повітряної кульки всього лише двомірна, а наш Всесвіт – тривимірний. Повітряна куля надувається, тому що хтось або щось – зазвичай людина – вдуває в неї повітря в додатковому просторовому вимірі, який невідомий мешканцям поверхні повітряної кулі. І повітряна куля, справді, розширюється в цей (додатковий) третій вимір, тоді як у нашому Всесвіті ми не маємо жодних свідчень, які б вказували на наявність четвертого (або вищого) додаткового просторового виміру. Доводиться обмежуватися лише міркуваннями про поверхню повітряної кулі та ігнорувати “нутрощі” кулі або сили, які змушують її надуватися.
Тому вдалішою аналогією буде розглянути повністю тривимірний об’єкт, що розширюється, наприклад, кулю тіста з родзинками, рівномірно розподіленими по всьому його об’єму. Коли тісто заквашується, воно розширюється, але родзинки всередині нього не розширюються. Родзинки просто віддаляються одна від одної у всіх трьох вимірах. Якщо ви перебуваєте всередині однієї з родзинок, ви бачите, що прилеглі до вас родзинки повільно віддаляються, родзинки на середніх відстанях віддаляються швидше, і найвіддаленіші родзинки віддаляються від вас найшвидше, хоча при цьому родзинки нерухомі стосовно тіста, що розширюється. Якби тісто було прозорим, воно поводилося б як тканина простору, а родзинки – як окремі галактики у Всесвіті, що розширюється.
У нас є всі підстави вважати, що наш спостережуваний Всесвіт, космічний горизонт якого визначається поєднанням швидкості розширення, швидкості світла і кількості часу, що минув з моменту Великого вибуху, являє собою лише малу частину більшого, неспостережуваного Всесвіту. Та частина простору, яку ми можемо побачити і до якої можемо отримати доступ, з часом збільшувалася і буде збільшуватися, оскільки світло, що було випущене давним-давно, і світло, що вже на шляху до нас, врешті-решт дійде до нас уперше, незважаючи на триваюче розширення простору. За достатньої кількості часу більш ніж удвічі більший, ніж зараз, обсяг “Всесвіту” врешті-решт стане видимим для нас.
Якщо ж нам захочеться дізнатися, як швидко розширюється Всесвіт, нам потрібно буде врахувати два фактори. Ми знаємо, що розширення Всесвіту викликає червоний зсув; ми знаємо, що два об’єкти, які віддаляються один від одного, викликають червоний зсув. Щоб перевести вимірюваний червоний зсув у швидкість розширення Всесвіту, потрібно підрахувати, як швидко повинні рухатися об’єкти, що віддаляються від нас, щоб дати таке значення червоного зсуву.
Відповідь, як не дивно, залежить від того, наскільки далеко від нас розташований об’єкт. Ось кілька прикладів:
Для об’єкта, що перебуває на відстані 100 мільйонів світлових років, ми припускаємо швидкість віддалення рівною 2150 км/с.
Для об’єкта, що знаходиться на відстані 1 млрд світлових років, швидкість віддалення становить 21 500 км/с.
Для об’єкта, що знаходиться на відстані 5 мільярдів світлових років, швидкість віддалення становить 107 000 км/с.
Для об’єкта, що знаходиться на відстані 14 мільярдів світлових років, швидкість віддалення становить 300 000 км/с: майже як швидкість світла.
А для об’єкта, що знаходиться на відстані 33 мільярдів світлових років, що є поточним космічним рекордом для найвіддаленішої галактики, ми припускаємо швидкість віддалення, що дорівнює 708 000 км/с: більш ніж удвічі більша за швидкість світла.
Ми можемо провести ці обчислення для будь-якого об’єкта, що знаходиться на будь-якій відстані, і для будь-якої конкретної відстані отримати унікальну швидкість віддалення.
Саме тому зазвичай ми не говоримо про розширення Всесвіту як про швидкість. Замість цього ми говоримо про нього як про відношення швидкості до одиниці відстані. На кожні 3,26 мільйона світлових років відстані до нього, його світло дає додаткове червоне зміщення ще приблизно на 70 км/с. З історичних причин астрономи рідко використовують світлові роки, а частіше оперують парсеками: парсек дорівнює приблизно 3,26 світлового року (мегапарсек, скорочено Мпк – близько трьох із чвертю мільйонів світлових років). Найчастіше розширення Всесвіту виражається в кілометрах на секунду на мегапарсек, або км/с/Мпк.
Сьогодні у нас є кілька різних способів вимірювання розширення Всесвіту, і всі вони дають результати, які перебувають у відносно вузькому діапазоні: між 67 і 74 км/с/Мпк.
Це означає, що, якщо скласти всі наявні у нас на сьогоднішній день шматочки головоломки, існує певна відстань від нас, близько 14 мільярдів світлових років, на якій розширення Всесвіту віддаляє від нас об’єкти зі швидкістю, еквівалентною швидкості світла. Ближче цієї відстані об’єкти віддаляються від нас зі швидкістю, меншою за швидкість світла; далі вони віддаляються швидше за світло. Насправді ці об’єкти зовсім не рухаються в просторі з такою швидкістю, просто простір між ними розширюється.
І цілком можливо, хоча ніхто цього не знає, що неспостережуваний Всесвіт може бути воістину нескінченним за протяжністю. Якби це було так, не було б сенсу запитувати: “У що він розширюється?”, тому що він і так нескінченний: охоплює всі кубічні дюйми “простору”, які тільки можна собі уявити.
Немає жодної гарантії, що Всесвіт нескінченний або що “неспостережуваний Всесвіт” являє собою всю повноту того, що там є. Цілком можливо, як стверджує теорія космічної інфляції, що наш Всесвіт, яким би великим він не був, є лише однією з областей, де стався Великий вибух. За межами цієї області знаходиться простір, де інфляція не закінчилася, а триває і триває (можливо, цілу вічність), і порізаний іншими областями, де інфляція закінчилася і відбулися інші “Великі вибухи”. Це так званий мультивсесвіт, у якому два “новонароджені Всесвіти” ніколи не зустрічаються, не стикаються і не перетинаються.
Чи означає це, що наш Всесвіт у якомусь сенсі розширюється в цей інфляційний мультивсесвіт?
Відповідь, можливо, несподівана – ні. Найбільша різниця між повітряною кулькою, кулькою з тіста і нашим реальним Всесвітом полягає не в тому, що розташоване всередині або зовні, не в тому, які його межі і чи є вони в нього. Коли ми говоримо про простір, або просторовий час, або тканину самого Всесвіту, ми говоримо про все, що є: це сцена, на якій розгортається гра Всесвіту. Гравці – це частинки, античастинки та інші кванти енергії, правила – закони фізики і значення фундаментальних констант, та й сама сцена не фіксована, а еволюціонує.
Але для космосу немає “зовнішнього” простору, у нього не існує “меж”; він просто є все, що є, і коли-небудь було, і коли-небудь буде.
