Kozmolozi su putnici intelektualnog vremena. Gledajući unatrag nekoliko milijardi godina, ti su znanstvenici zadivljujućim detaljima u stanju pratiti evoluciju našeg Svemira. Tijekom slijedećih eona, naš je svemir narastao do tako ogromne veličine da više ne možemo vidjeti njegovu drugu stranu.
Ali kako to može biti? Ako brzina svjetlosti označava kozmičku ograničenje brzine, kako mogu postojati regije prostornog vremena čiji fotoni su zauvijek izvan našeg dosega? Pa čak i ako postoje, kako znati da oni uopće postoje?
Svemir koji se širi
Kao i sve drugo u fizici, tako i naš Univerzum nastoji postojati u najnižem mogućem energetskom stanju. Ali oko 10-36 nekoliko sekundi nakon Velikog praska, inflatorni kozmolozi vjeruju da se kosmos umjesto toga odmarao u „lažnoj energiji vakuuma“ - niskoj točki koja zapravo nije bila niska točka. Tražeći istinski nadir energije vakuuma, za samo minutni djelić trenutka, smatra se da se Svemir zagrijao s faktorom 1050.
Od tog vremena naš se Svemir nastavio širiti, ali znatno sporijim tempom. Dokaze tog širenja vidimo u svjetlu udaljenih objekata. Kako se fotoni koje emitira zvijezda ili galaksija šire po svemiru, istezanje prostora uzrokuje da izgube energiju. Nakon što fotoni dosegnu do nas, njihova valna duljina promijeni se u skladu s udaljenostom koju su prešli.
Zbog toga kozmolozi govore o crveni pomak kao funkciji udaljenosti i u prostoru i u vremenu. Svjetlost iz tih udaljenih objekata putuje toliko dugo da, kad konačno ugledamo, vidimo i objekte kao prije milijarde godina.
Volumen Hubblea
Izmjenjeno svjetlo omogućuje nam da vidimo objekte poput galaksija kakvi su postojali u dalekoj prošlosti; ali ne možemo vidjeti svi događaji koji su se dogodili u našem Svemiru tijekom njegove povijesti. Budući da se naš kozmos širi, svjetlost iz nekih objekata jednostavno je predaleko da bismo ga ikad vidjeli.
Fizika te granice dijelom se oslanja na komad okolnog vremena nazvanog Hubble volumen. Ovdje na Zemlji definiramo Hubble volumen mjereći nešto što se naziva Hubbleov parametar (H0), vrijednost koja povezuje prividnu brzinu recesije udaljenih objekata s njihovim crvenim pomakom. Prvi put je izračunat 1929. godine, kada je Edwin Hubble otkrio da se daleke galaksije odmiču od nas brzinom brzinom proporcionalnom crvenom pomaku njihove svjetlosti.
Podjela brzine svjetlosti na H0, dobivamo volumen Hubblea. Ovaj sferični mjehurić obuhvaća područje u kojem se svi predmeti odmiču od središnjeg promatrača brzinom manjom od brzine svjetlosti. U skladu s tim, svi predmeti izvan volumena Hubblea odmiču se od središtabrže nego brzina svjetlosti.
Da, "brže od brzine svjetlosti." Kako je ovo moguće?
Čari relativnosti
Odgovor ima veze s razlikom između posebne relativnosti i opće relativnosti. Posebna relativnost zahtijeva ono što se naziva "inercijalni referentni okvir" - jednostavnije, pozadinu. Prema ovoj teoriji, brzina svjetlosti jednaka je u usporedbi u svim inercijalnim referentnim okvirima. Bez obzira na to je li promatrač još uvijek sjedio na klupi parka na planeti Zemlji ili zumirao pored Neptuna u futurističkom raketnom brodu velike brzine, brzina svjetlosti je uvijek ista. Foton uvijek putuje od promatrača pri 300 000 000 metara u sekundi i nikad ga neće nadoknaditi.
Opća relativnost, međutim, opisuje samu tkaninu svemirskog vremena. U ovoj teoriji ne postoji inercijalni referentni okvir. Prostorno vrijeme se ne širi u odnosu na ništa izvan sebe, tako da brzina svjetlosti kao granica njegove brzine ne vrijedi. Da, galaksije izvan naše Hubble sfere povlače se od nas brže od brzine svjetlosti. Ali same galaksije ne probijaju nikakve kozmičke granice brzine. Za promatrača unutar jedne od tih galaksija, ništa uopće ne narušava posebnu relativnost. Prostor između nas i onih galaksija brzo se širi i proteže eksponencijalno.
Promatrajući svemir
Za sljedeću bombu: Volumen Hubblea nije ista stvar kao Svemir koji se može promatrati.
Da biste to razumjeli, uzmite u obzir da, kako svemir stari, daleka svjetlost ima više vremena da dođe do naših detektora ovdje na Zemlji. Možemo vidjeti predmete koji su ubrzali više od našeg trenutnog volumena Hubblea jer je svjetlost koju danas vidimo ispuštala kad su bili unutar nje.
Strogo gledano, naš promatrajući Univerzum poklapa se s nečim što se zove horizont čestica, Horizont čestica označava udaljenost do najudaljenijeg svjetla koje danas možemo vidjeti u vremenu - fotona koji su imali dovoljno vremena da ili ostanu unutar, ili se nadoknade u našoj sferi Hubble-a koja se širi.
I samo koja je to udaljenost? Nešto više od 46 milijardi svjetlosnih godina u svakom smjeru - dajući našem promatranom Svemiru promjer od oko 93 milijarde svjetlosnih godina, odnosno više od 500 milijardi bilijuna milja.
(Brza napomena: horizont čestica nije ista stvar kao kozmološki događaj horizont, Obzor čestica obuhvaća sve događaje u prošlosti koje trenutno možemo vidjeti. Kozmološki događaj, s druge strane, definira udaljenost unutar koje će budući promatrač moći vidjeti tada drevno svjetlo koje danas zrači naš mali kutak svemirskog vremena.
Drugim riječima, horizont čestica odnosi se na udaljenost do prošlih objekata čije drevno svjetlo danas možemo vidjeti; horizont kosmološkog događaja bavi se udaljenošću koju naša današnja svjetlost koja će moći putovati kao daleka područja Svemira ubrzava dalje od nas.)
Tamna energija
Zahvaljujući širenju Svemira, postoje područja kozmosa koja nikada nećemo vidjeti, čak i ako bismo mogli čekati beskonačno mnogo vremena da njihova svjetlost dopre do nas. Ali što je s onim područjima izvan dosega današnjeg Hubbleovog volumena? Ako se ta sfera također širi, hoćemo li ikada moći vidjeti te granične objekte?
To ovisi o tome koja se regija brže širi - Hubble volumen ili dijelovi Svemira neposredno izvan njega. A odgovor na to pitanje ovisi o dvije stvari: 1) da li H0 povećava ili opada i 2) bilo da se svemir ubrzava ili usporava. Ove dvije stope su usko povezane, ali nisu iste.
U stvari, kozmolozi vjeruju da zapravo živimo u vremenu kada H0 opada; ali zbog tamne energije, brzina širenja svemira raste.
To možda zvuči kontratužno, ali sve dok H0 smanjuje se sporije stopa nego što brzina širenja Svemira raste, sveukupno se kretanje galaksija od nas i dalje odvija ubrzanim tempom. I u ovom trenutku, kozmolozi vjeruju da će širenje Svemira nadmašiti skromniji rast volumena Hubblea.
Iako se naš Hubble volumen širi, čini se kako utjecaj tamne energije pruža čvrsto ograničenje sve većem promatranom Svemiru.
Naša zemaljska ograničenja
Čini se da kozmolozi imaju dobru ruku s dubokim pitanjima poput izgleda jednog dana našeg promatranog Univerzuma i kako će se promijeniti širenje kozmosa. Ali na kraju, znanstvenici mogu samo teoretizirati odgovore na pitanja o budućnosti na temelju svog današnjeg razumijevanja svemira. Kozmološki vremenski okviri toliko su nezamislivo dugi da je nemoguće reći mnogo išta konkretno o tome kako će se Svemir ponašati u budućnosti. Današnji modeli izvrsno se uklapaju u trenutne podatke, ali istina je da nitko od nas neće živjeti dovoljno dugo da vidi odgovaraju li predviđanja sa svim rezultatima.
Razočaravajući? Naravno. Ali u potpunosti vrijedan truda da pomognemo našim škakljivim mozgovima da razmotre takvu nauku o blogovanju uma - stvarnost koja je, kao i obično, sasvim nepoznata od fikcije.
