W co rozszerza się wszechświat, skoro jest już nieskończony?
Wszechświat rozszerza się sam, a nie w jakąkolwiek przestrzeń zewnętrzną, a galaktyki stale się od niego oddalają Droga Mleczna. Zainicjowany przez Wielki Wybuchekspansja ta przyspiesza z powodu ciemnej energii, która stanowi większość całkowitej energii Wszechświata. Złożoność ekspansji stanowi wyzwanie zarówno dla podstawowej fizyki, jak i prowadzi do teorii takich jak wieloświat, których celem jest pogodzenie mechaniki kwantowej z grawitacją.
Rozszerzanie się bez granic
Kiedy pieczesz bochenek chleba lub partię muffinów, ciasto wędruje do formy. Podczas pieczenia ciasto rozszerza się, naciskając na boki formy. Jeśli w cieście znajdują się kawałki czekolady lub jagody, w miarę wyrastania ciasta będą one coraz bardziej oddalone od siebie.
Ekspansja wszechświata działa podobnie – ale z jedną kluczową różnicą. Podczas gdy ciasto rozszerza się na patelnię, wszechświat nie rozszerza się w nic. Rozszerza się w sobie.
Ten pomysł może wydawać się łamigłówką, ponieważ wszechświat obejmuje wszystko, co istnieje. Nie ma tam żadnej zewnętrznej „patelni”, która by go trzymała. Gdyby taki pojemnik istniał, również byłby częścią wszechświata i rozszerzałby się wraz z nim.
Zrozumienie ekspansji kosmicznej
Nawet dla kogoś takiego jak ja, a profesor fizyki i astronomii który od lat bada wszechświat, trudno mi zrozumieć tę koncepcję. To tak samo trudne, jak pytanie, co leży dalej na północ od bieguna północnego.
Pomocnym sposobem zobrazowania ekspansji Wszechświata jest rozważenie ruchu galaktyk. Naukowcy wiedzą, że wszechświat się rozszerza, ponieważ obserwują galaktyki oddalające się od Drogi Mlecznej. Definiują ekspansję na podstawie tego, jak szybko galaktyki się od siebie oddalają. Podejście to pomaga opisać rozwój wszechświata bez konieczności posiadania przestrzeni zewnętrznej, w której mógłby się on rozszerzyć.
Początki Wszechświata
Wszechświat powstał wraz z Wielkim Wybuchem 13,8 miliarda lat temu. Wielki Wybuch opisuje pochodzenie Wszechświata jako niezwykle gęstą, gorącą osobliwość. Ten maleńki punkt nagle przeszedł szybką ekspansję zwaną inflacją, podczas której każde miejsce we wszechświecie rozszerzyło się na zewnątrz. Ale nazwa Big Bang jest myląca. Nie była to gigantyczna eksplozja, jak sama nazwa wskazuje, ale czas, w którym wszechświat gwałtownie się rozszerzał.
Następnie Wszechświat szybko się skondensował i ostygł, po czym zaczął wytwarzać materię i światło. Ostatecznie ewoluował do tego, co znamy dzisiaj jako nasz wszechświat.
Odkrycie ekspansji
Pomysł, że nasz wszechświat nie jest statyczny i może się rozszerzać lub kurczyć, był po raz pierwszy opublikowana przez fizyka Alexandra Friedmana w 1922 r. Potwierdził matematycznie, że wszechświat się rozszerza.
Podczas gdy Friedman udowodnił, że wszechświat się rozszerza, przynajmniej w niektórych miejscach, to Edwin Hubble przyjrzał się bliżej tempu ekspansji. Wielu innych naukowców potwierdziło, że inne galaktyki oddalają się od Drogi Mlecznej, ale w 1929 roku Hubble opublikował swoją słynną pracę potwierdziło to, że cały wszechświat się rozszerza i że tempo tego rozszerzania rośnie.
Tajemnica przyspieszenia ekspansji
To odkrycie nadal stanowi zagadkę dla astrofizyków. Jakie zjawisko pozwala wszechświatowi pokonać siłę grawitacji, utrzymując go razem, a jednocześnie rozszerzając się, odciągając od siebie obiekty we wszechświecie? Co więcej, tempo jego ekspansji z biegiem czasu przyspiesza.
Wielu naukowców używa wizualizacji zwanej lejkiem ekspansji, aby opisać przyspieszenie ekspansji Wszechświata od Wielkiego Wybuchu. Wyobraź sobie głęboki lejek z szerokim rondem. Lewa strona lejka – wąski koniec – reprezentuje początek wszechświata. Kierując się w prawo, przesuwasz się w czasie do przodu. Poszerzenie się stożka reprezentuje ekspansję wszechświata.
Naukowcy nie byli w stanie bezpośrednio zmierzyć, gdzie energię powodującą tę przyspieszającą ekspansję pochodzi z. Nie byli w stanie tego wykryć ani zmierzyć. Ponieważ nie mogą zobaczyć ani bezpośrednio zmierzyć tego rodzaju energii, nazywają go ciemną energią.
Według modeli badaczy ciemna energia musi być najpowszechniejszą formą energii we wszechświecie, stanowiącą ok 68% całkowitej energii we wszechświecie. Energia z materii codziennej, z której składa się Ziemia, Słońce i wszystko, co widzimy, stanowi zaledwie około 5% całej energii.
Poza lejkiem rozprężnym
Co zatem znajduje się poza lejkiem ekspansji?
Naukowcy nie mają dowodów na nic poza naszym znanym wszechświatem. Niektórzy to jednak przewidują może istnieć wiele wszechświatów. Model obejmujący wiele wszechświatów mógłby rozwiązać niektóre problemy, jakie napotykają naukowcy w związku z obecnymi modelami naszego wszechświata.
Jednym z głównych problemów naszej obecnej fizyki jest to badacze nie potrafią się integrować mechanika kwantowa, która opisuje, jak działa fizyka w bardzo małej skali, i grawitacja, która rządzi fizyką wielkiej skali.
Łączenie teorii w różnych skalach
Zasady zachowania się materii w małej skali zależą od prawdopodobieństwa i skwantowanych, czyli stałych, ilości energii. W tej skali obiekty mogą pojawiać się i znikać. Materia może zachowywać się jak fala. Świat kwantowy bardzo różni się od tego, jak go postrzegamy.
W dużych skalach, jak nazywają to fizycy mechanika klasycznaobiekty zachowują się tak, jak tego oczekujemy od nich na co dzień. Obiekty nie są skwantowane i mogą mieć ciągłą ilość energii. Obiekty nie pojawiają się i nie znikają.
Świat kwantowy zachowuje się jak włącznik światła, w którym energia ma tylko opcję włączania i wyłączania. Świat, który widzimy i z którym wchodzimy w interakcję, zachowuje się jak wyłącznik ściemniacza, dopuszczając wszystkie poziomy energii.
Jednak badacze napotykają problemy, gdy próbują badać grawitację na poziomie kwantowym. W małej skali fizycy musieliby założyć, że grawitacja jest skwantowana. Ale badania, które wielu z nich przeprowadziło nie popiera tego pomysłu.
Implikacje teoretyczne i perspektywy na przyszłość
Jednym ze sposobów połączenia tych teorii jest tzw teoria wieloświata. Istnieje wiele teorii, które wykraczają poza nasz obecny wszechświat i wyjaśniają, w jaki sposób grawitacja i świat kwantowy współdziałają. Niektóre z wiodących teorii obejmują teorię strun, kosmologia brana, pętlowa teoria kwantowai wiele innych.
Niezależnie od tego Wszechświat będzie się nadal rozszerzał, a odległość między Drogą Mleczną a większością innych galaktyk będzie się z czasem wydłużać.
Napisane przez Nicole Granucci, instruktorka fizyki na Uniwersytecie Quinnipiac.
Na podstawie artykułu pierwotnie opublikowanego w Rozmowa.
