Въпрос на годината: ако Вселената се разширява, в какво точно?

В продължение на почти 60 години Големият взрив остава най-успешната теория, обясняваща произхода на всичко в света. Започвайки от горещо, плътно, богато на материя и радиация състояние, Вселената оттогава се разширява и охлажда. По време на еволюционния процес в нея първо се образуват протоните и неутроните, първите леки елементи, стабилните атоми и в крайна сметка звездите, галактиките, планетите и сложната химия, която може да даде началото на живота. След 13,8 милиарда години от началото на всичко това ние все още наблюдаваме разширяващата се Вселена и се опитваме да разберем откъде е дошла и как се е превърнала в това, което виждаме днес.

Но ако Вселената се е разширявала през цялото това време, в какво? Или към къде?

Простичкият отговор на този въпрос е колкото кратък, толкова и неудовлетворителен: Вселената се разширява в себе си, а не в някаква „външна“ среда. Това е още един пример за това как общата теория на относителността противоречи на ежедневния ни опит и интуиция.

Както за първи път е забелязал Весто Мелвин Слифер през 1910 г., някои от наблюдаваните от нас обекти имат спектрални признаци на поглъщане или излъчване от определени атоми, йони или молекули, но със систематично изместване към червената или синята част на светлинния спектър. В комбинация с измерванията на разстоянието до тези обекти, тези открития доведоха до първоначалната идея за разширяваща се Вселена: колкото по-далеч е една галактика, толкова по-червена ще изглежда нейната светлина за нашите очи и инструменти.

Когато разделяме светлината на Слънцето на различни дължини на вълните, от които е съставена, ние извършваме спектроскопия. Лесно можем да видим сигнатурите на много различни елементи и да определим линиите, които са свързани с определени преходи в атомите с различен брой протони в ядрото.

И ето го най-важното: моделите на поглъщане и/или излъчване на далечните обекти във Вселената предполагат, че те са съставени от същите елементи, от които са изградени нашето Слънце и Земята. Атомите, от които са съставени, поглъщат и излъчват светлина според същата физика като атомите, които познаваме, и следователно те излъчват и поглъщат светлина със същите дължини на вълните и честоти като атомите, с които взаимодействаме.

Но когато наблюдаваме светлината от другите обекти във Вселената, почти никога не виждаме същите дължини на вълните и честоти, каквито виждаме в светлината, която създаваме в лабораторията, или която излъчва нашето Слънце. Вместо това всички спектрални линии, които виждаме, са систематично изместени една спрямо друга в зависимост от това кой обект гледаме. Нещо повече, всяка линия, принадлежаща на конкретен обект, ще бъде изместена със един и същ коефициент.

Съществуват три основни фактора, които могат да причинят подобно изместване, и по принцип всеки от тях може да повлияе на всеки обект:

• Разликата в гравитационния потенциал между мястото, където светлината е излъчена, и мястото, където тя е погълната. Попадайки в гравитационна „дупка“, светлината придобива енергия и се измества към по-къси дължини на вълната, като се наблюдава синьо отместване. Когато светлината се изкачва по гравитационния „хълм“, тя губи енергия и се измества към по-дългите дължини на вълните, като се получава червено отместване. Това е предвидено в общата теория на относителността, тъй като кривината на пространството не само указва на материята как да се движи, но също така указва на светлината и всички форми на излъчване как да се променят.
• Движението на източника спрямо наблюдателя е това, което условно наричаме Доплерово отместване. Срещаме го най-често в примера със звуците. Когато превозно средство, излъчващо звук – например полицейска кола, камион за сладолед или любител на басите – се движи към вас, звукът, който чувате, изглежда по-висок. Когато се отдалечава от вас, звукът става по-нисък. Същото се случва със светлината и всички вълни: ако източникът и наблюдателят се движат един към друг, светлината, която наблюдателят вижда, ще бъде по-синя, а ако се отдалечават един от друг, светлината, която наблюдателят вижда, ще бъде по-червена.
• И накрая, налице е ефектът от разширяването на Вселената. Когато светлината пътува през Вселената, всеки отделен фотон има специфична дължина на вълната, която определя неговата енергия. Ако Вселената се разширява, дължината на вълната на светлината също се разтяга, което води до червено отместване; по същия начин, ако Вселената се свива (което също може да се случи, но не се наблюдава), дължината на вълната също ще се свие, което ще доведе до синьо отместване.

Ако искате да разберете как Вселената се разширява, програмата за действие е съвсем проста. Трябва да се изучи голям набор от обекти, гледани в различни посоки и на различни разстояния, и да се измери общото червено (или синьо) изместване на всеки от тях. След това трябва да се направи карта на Вселената, доколкото е възможно, и да се използва тази информация, за да се направи извод за ефекта от гравитационното червено/синьо отместване, както и за ефекта от движението на отделните обекти спрямо вас. Всичко, което остане, след като отчетете всичко останало, може да бъде приписано на разширяването на Вселената.

И така, какво научаваме, като правим тази програма в реалността? Няколко неща, които могат да ви заинтересуват, включително следното:

• За обектите, които се намират сравнително близо до нас – в рамките на няколко десетки милиона светлинни години – преобладават ефектите на локалните движения. Не може надеждно да се измери разширяването на Вселената, като се наблюдават само обектите в нашето „съседство“.
• Обектите, които са гравитационно свързани помежду си, включително звездите, звездните системи, звездните купове, кълбовидните купове, отделните галактики и дори свързаните групи и купове от галактики, не се влияят от разширяването на Вселената.
• За щастие гравитационното червено и синьо отместване са предимно пренебрежими ефекти, като средната им стойност е много по-малка от 1% от общия измерен ефект.
• Но в големите космически мащаби, т.е. за обекти на сравнително големи разстояния от нас (стотици милиони, милиарди и дори десетки милиарди светлинни години), разширяването на Вселената е единственият ефект, който има значение.

Това е най-добрият метод за изучаване на разширяването на пространството в хода на еволюцията на Вселената: нека разгледаме всички тези обекти, разпръснати из цялата Вселена, като пренебрегнем най-близките до нас, и да заключим как средно се разширява Вселената.

Съществуват две общи аналогии, които използваме, за да разберем физическия смисъл на разширяващата се Вселена, макар че всяка от тях има своите ограничения.

Една от тях е да разглеждаме Вселената като балон, или по-точно като балон с монети, залепени (или прикрепени по друг начин) към повърхността му. Следователно разширяването на Вселената е като надуването (или изпускането) на този балон, а монетите на повърхността на балона са аналог на галактиките в целия космос. Ако вие самите живеете в галактика – в една от тези монети – тогава с разширяването на Вселената ще видите как всички монети се отдалечават една от друга, включително и вие. Близките до вас монети се отдалечават сравнително бавно, а по-отдалечените се отдалечават все по-бързо и по-бързо. Не че монетите се „движат“ спрямо тъканта на пространство-времето, а че разширяването на пространството ги отдалечава все повече и повече с течение на времето.

Но тази аналогия със сигурност има своите недостатъци. Проблемът е, че повърхността на балона е само двуизмерна, докато нашата вселена е триизмерна. Балонът се надува, защото някой или нещо – обикновено човек – нагнетява въздух в него в допълнително пространствено измерение, което не е известно на обитателите на повърхността на балона. И балонът наистина се разширява в това (допълнително) трето измерение, докато в нашата Вселена нямаме доказателства за четвърто (или по-високо) допълнително пространствено измерение. Трябва да се ограничим да мислим за повърхността на балона и да пренебрегнем „вътрешността“ на балона или силите, които го карат да се надува.

Ето защо по-подходящата аналогия е да разгледаме напълно триизмерен обект, който се разширява, като например топка тесто със стафиди, равномерно разпределени в целия ѝ обем. Когато тестото се закваси, то се разширява, но сладките плодове в него не се разширяват. Стафидите просто се отдалечават една от друга в трите измерения. Ако се намирате в една от стафидите, можете да видите, че най-близките до вас стафиди се отдалечават бавно, стафидите в средните разстояния се отдалечават по-бързо, а най-отдалечените стафиди се отдалечават най-бързо от вас, въпреки че стафидите са неподвижни спрямо разширяващото се тесто. Ако тестото беше прозрачно, то щеше да се държи като тъканта на пространството, а стафидите щяха да се държат като отделните галактики в разширяващата се Вселена.

Имаме всички основания да смятаме, че нашата наблюдаема Вселена, чийто космически хоризонт се определя от комбинацията от скоростта на разширяване, скоростта на светлината и времето, изминало от Големия взрив, представлява само малка част от по-голямата, ненаблюдаема Вселена. Частта от пространството, която можем да видим и до която имаме достъп, се увеличава и ще продължава да се увеличава с времето, тъй като светлината, която е била излъчена отдавна, и светлината, която е на път към нас, в крайна сметка ще ни достигне за първи път, въпреки продължаващото разширяване на пространството. При наличие на достатъчно време повече от два пъти по-големият обем на сегашната „вселена“ в крайна сметка ще стане видим за нас.

Ако обаче искаме да разберем колко бързо се разширява Вселената, ще трябва да вземем предвид два фактора. Знаем, че разширяването на Вселената причинява червено отместване; знаем, че два обекта, които се отдалечават един от друг, причиняват червено отместване. За да превърнем измереното червено отместване в скорост на разширяване на Вселената, трябва да изчислим с каква скорост трябва да се движат отдалечаващите се от нас обекти, за да се получи тази стойност на червеното отместване.

Отговорът, колкото и да е странно, зависи от това на какво разстояние от нас се намира обектът. Ето няколко примера:

• За обект, отдалечен на 100 милиона светлинни години, приемаме скорост на отдалечаване 2150 км/сек.
• За обект, отдалечен на 1 милиард светлинни години, приемаме, че скоростта на отдалечаване е 21 500 км/сек.
• За обект, отдалечен на 5 милиарда светлинни години, скоростта на отстраняване е 107 000 км/сек.
• За обект, отдалечен на 14 милиарда светлинни години, скоростта на отдалечаване е 300 000 км/сек: почти скоростта на светлината.
• А за обект, отдалечен на 33 милиарда светлинни години, което е настоящият космически рекорд за най-отдалечена галактика, приемаме скорост на отдалечаване 708 000 км/сек. И това е повече от два пъти скоростта на светлината.

Можем да извършим тези изчисления за всеки обект на всяко разстояние и за всяко конкретно разстояние да получим уникална скорост на отстраняване.

Ето защо обикновено не говорим за разширяването на Вселената като за скорост. Вместо това говорим за него като за отношение на скоростта към единица разстояние. На всеки 3,26 милиона светлинни години разстояние от нея, светлината ѝ дава допълнително червено отместване с около 70 км/сек повече. По исторически причини астрономите рядко използват светлинни години, а по-често оперират с парсеци: един парсек е равен на около 3,26 светлинни години (мегапарсек, съкратено Mpc – около три и четвърт милиона светлинни години). Най-често разширяването на Вселената се изразява в километри в секунда на мегапарсек, или km/s/Mpc.

Днес разполагаме с няколко различни начина за измерване на разширяването на Вселената и всички те дават резултати, които попадат в сравнително тесен диапазон: между 67 и 74 km/s/Mpc.

Това означава, че ако съберем всички парчета от пъзела, с които разполагаме до момента, има определено разстояние от нас, около 14 милиарда светлинни години, на което разширяването на Вселената отдалечава обектите от нас със скорост, равна на скоростта на светлината. По-близо от това разстояние обектите се отдалечават от нас със скорост, по-малка от скоростта на светлината; по-далеч те се отдалечават по-бързо от светлината. Всъщност тези обекти всъщност изобщо не се движат в пространството с тази скорост, а просто пространството между тях се разширява.

И е напълно възможно, макар че никой не го знае, ненаблюдаваната вселена да е наистина безкрайна по обхват. Ако случаят беше такъв, нямаше да има смисъл да питаме: „В какво се разширява?“, защото тя вече е безкрайна: обхваща всеки кубичен сантиметър „пространство“, който може да си представим.

Няма никаква гаранция, че Вселената е безкрайна или че „ненаблюдаемата Вселена“ представлява цялата съвкупност от това, което се намира там. Напълно възможно е, както твърди теорията за космическата инфлация, нашата Вселена, колкото и да е голяма, да е само един регион, в който се е случил Големият взрив. Извън този регион има пространство, в което инфлацията не е приключила, а продължава и продължава (може би в продължение на еони), и е изпъстрено с други региони, в които инфлацията е приключила и са се случили други Големи взривове. Това е т.нар. мултивселена, в която две „новородени Вселени“ никога не се срещат, не се сблъскват и не се пресичат.

Означава ли това, че нашата Вселена в някакъв смисъл се разширява в тази инфлационна мултивселена?

Отговорът, може би изненадващо, е „не“. Най-голямата разлика между балон, топка тесто и нашата истинска Вселена не е в това какво има вътре или вън, нито какви са границите ѝ и дали има такива. Когато говорим за пространство или пространство-време, или за самата тъкан на Вселената, ние говорим за всичко, което е: то е сцената, на която се разиграва играта на Вселената. Играчите са частици, античастици и други кванти енергия, правилата са законите на физиката и стойностите на фундаменталните константи, а самата сцена не е фиксирана, а се развива.

Но за космоса не съществува „външно“ пространство, той няма „граници“; той просто е всичко, което е, някога е било и някога ще бъде.