Із Всесвітом відбувається щось дивне: він розтягується, а може створює новий космос

Хоча вже майже 100 років вчені знають, що Всесвіт розширюється і цьому є багато доказів, все ж залишається питання про те, як саме це відбувається: за рахунок розтягування простору чи за рахунок створення нового простору в "проміжках", відкритих космічним розширенням? Про це пише Big Think.

У Фокус. Технології з'явився свій Telegram-канал. Підписуйтесь, щоб не пропускати найсвіжіші та найзахопливіші новини зі світу науки!

Розширення Всесвіту

Майже 100 років тому вчені з'ясували, що Всесвіт не є статичним. Одне з передбачень загальної теорії відносності Ейнштейна полягає в тому, що будь-який Всесвіт, доки він рівномірно заповнений одним або кількома видами матерії, випромінювання або енергії, не може залишатися незмінним із плином часу. Замість цього він повинен або розширюватися, або стискатися. Але наприкінці 20-х років минулого століття астрономи з'ясували, що Всесвіт все ж розширюється.

Але що саме відбувається з тканиною простору під час цього процесу? Чи розтягується сам простір? Чи, можливо, створюється новий простір, який заповнює "проміжки", створені під час розширення Всесвіту?

Загальна теорія відносності пов'язує між собою дві важливі речі:

• кількість, розподіл і типи енергій, включно з матерією, антиматерією, темною матерією, випромінюванням, нейтрино і всім іншим, що є у Всесвіті;
• геометрію, що лежить в основі простору-часу, включно з тим, чи викривлений він і яким чином, і чи буде сам простір-час розвиватися і як саме.

Також існує два критерії, які зазвичай застосовують для опису нашого Всесвіту і які повністю підтверджуються великомасштабними спостереженнями — ізотропія та однорідність.

• Ізотропія говорить нам, що Всесвіт однаковий у всіх напрямках: куди б ми не подивилися в космічних масштабах, жоден "напрямок" особливо не відрізняється від іншого.
• Однорідність говорить нам, що Всесвіт однаковий у всіх місцях: однакові щільність, температура і швидкість розширення існують з точністю вище 99,99% у найбільших масштабах.

Тобто наш Всесвіт у великих космічних масштабах справді одночасно ізотропний і однорідний.

Простір не можна виміряти

Рівняння, що керують еволюцією Всесвіту, відомі як рівняння Фрідмана. Тканина простору-часу, якщо вона рівномірно заповнена одним або кількома типами матерії та/або енергій, має розширюватися або стискатися відповідно до цих рівнянь. Але що насправді означають "розширення" або "стиснення", коли йдеться про сам простір?

Простір сам по собі не є чимось, що можна виміряти безпосередньо. Ми не можемо вийти із Всесвіту і подивитися на нього. Натомість можна спостерігати за впливом простору на матерію, антиматерію та світло.

Якщо йдеться про розширення Всесвіту, то найпростіша величина, яку можна спостерігати і виміряти в плані розширення космосу, — це щільність. Якщо Всесвіт не порожній, а заповнений "чимось", то в міру розширення об'єм простору, який займає це "щось", буде збільшуватися.

Матерія на найпростішому рівні — це фіксована кількість масивних об'єктів, які перебувають у просторі. У міру розширення Всесвіту загальна кількість об'єктів залишається незмінною, але загальна кількість простору, в якому вони можуть існувати, збільшується. Для матерії густина — це просто маса, розділена на об'єм, і тому, якщо маса залишається незмінною, поки об'єм зростає, густина має зменшитися. Але навіть попри те, що у Всесвіті існує кілька типів матерії, не все у Всесвіті є матерією. Є ще випромінювання та енергія.

Швидкість розширення Всесвіту

У міру того, як Всесвіт розширюється і світло проходить через Всесвіт, що розширюється, об'єм не тільки збільшується, а кількість частинок залишається колишньою, але кожен квант випромінювання зазнає зсуву довжини хвилі в бік червонішого кінця електромагнітного спектра. Саме завдяки ефекту червоного зміщення вперше було виявлено Всесвіт, що розширюється.

Наш Всесвіт також володіє темною енергією, яка взагалі не має форми частинок, а скоріше притаманна тканині самого простору. Хоча ми не можемо виміряти темну енергію безпосередньо, є спосіб зробити висновок про її значення та властивості. Для цього потрібно спостерігати за тим, як світло з червоним зміщенням від віддалених об'єктів розвивається залежно від відстані.

Якщо зібрати все воєдино, то виникає здебільшого послідовна картина. Всесвіт сьогодні розширюється зі швидкістю десь приблизно 70 км/с на мегапарсек, а це означає, що на кожен мегапарсек (приблизно 3,26 млн світлових років) відстані один об'єкт віддаляється від іншого зі швидкістю 70 км/с.

З чого складається Всесвіт?

Сьогодні Всесвіт складається з таких форм енергії та матерії:

• приблизно 0,008% випромінювання у вигляді фотонів або електромагнітного випромінювання;
• приблизно 0,1% нейтрино, які зараз поводяться як матерія, але спочатку поводилися як випромінювання, коли їхня маса була дуже мала порівняно з кількістю кінетичної енергії, яку вони мали;
• приблизно 4,9% звичайної матерії, до якої входять атоми, плазма, чорні діри і все, що колись складалося з протонів, нейтронів або електронів;
• приблизно 27% темної матерії, природа якої досі невідома, але яка має бути масивною і накопичуватися, як матерія;
• приблизно 68% темної енергії, яка поводиться так, ніби це енергія, притаманна самому космосу, і вона прискорює розширення Всесвіту.

Всесвіт по-різному реагує на різні форми енергії та матерії. Якщо розглядати Всесвіт, наповнений випромінюванням, оскільки довжина хвилі подовжується в міру розширення Всесвіту, аналогія з "розтягуванням" простору працює дуже добре.

Всесвіт розтягується чи створює новий космос?

З іншого боку, коли щось розтягується звичайним способом, воно стає тоншим. Це гарний підхід для опису поведінки світла та інших форм випромінювання, але не для темної енергії або будь-якої форми енергії, властивої тканині самого простору. У міру розширення Всесвіту обсяг темної енергії збільшується, а щільність енергії не змінюється, і, отже, загальна енергія збільшується. З погляду темної енергії створюється враження, що внаслідок розширення Всесвіту створюється новий простір.

Усе випромінювання в нашому Всесвіті, включно з кожною гравітаційною хвилею, поводиться так, ніби простір розтягується, хоча сам простір не стає тоншим. Темна енергія всередині Всесвіту поводиться так, ніби створюється новий простір, хоча ми нічого не можемо виміряти, щоб виявити це.

Насправді загальна теорія відносності може тільки сказати нам, як простір поводиться, розвивається і впливає на енергію всередині нього. Вона не може сказати нам, чим насправді є простір у філософському сенсі.

Потрібно визнати, що простір не розтягується і не створюється, а просто існує так, як його описує теорія Ейнштейна.

Як уже писав Фокус, у Всесвіті дивне почуття гумору, адже час не може зупинитися, тільки закінчитися. Наявні теорії говорять нам про те, що "стріла часу" завжди рухається вперед, але в деяких випадках допускаються вольності.