Зла фізика. Чому більша частина Всесвіту завжди буде недосяжною для людства?

З того часу, як видатний астрофізик Едвін Габбл у середині 20-х років минулого століття відкрив, що Всесвіт не статичний, а постійно розширюється, а об’єкти, чиє світло доходить до нас, постійно від нас віддаляються, це стало однією з центральних тем для сучасної науки.

У 1998 році два незалежні проєкти — Supernova Cosmology Project і High-Z Supernova Search Team виявили, що Всесвіт розширюється з прискоренням. Для цього вони тривалий час спостерігали за одним й тим самим об’єктом. Результати спостережень за далекими галактиками підтвердили, що вони віддаляються. Була виміряна швидкість їхнього руху. Через деякий час астрофізики повернулись до спостереження за цими об’єктами і зафіксували, що вони стали віддалятись ще швидше.

Але як саме відбувається це розширення? Астрофізики часто кажуть, що віддалені від нас регіони Всесвіту продовжують віддалятись із надсвітловою швидкістю. Але чи означає це, що якісь об’єкти у космосі здатні порушити один з ключових принципів сформульованої Альбертом Ейнштейном Спеціальної теорії відносності щодо того, що жоден об’єкт у Всесвіті не може перевищити швидкість світла.

Так, частинки, що не мають маси, у вакуумі можуть рухатись зі швидкістю світла. Тоді як всі інші об’єкти з певною масою де інде, або ті ж частинки без маси, однак у певному середовищі, завжди рухатимуться зі швидкістю, нижчою за швидкість світла.

За оцінками астрофізиків, вік Всесвіту складає близько 13,8 млрд років. Наразі науковці вже можуть виміряти не тільки нинішню швидкість розширення Всесвіту, а й те, якою вона була у далекому минулому та в усі проміжні періоди. До прикладу, світло від об’єкта, що перебував на відстані 100 метрів від нас на момент Великого вибуху, дісталось б до нас лише через 13,8 млрд років, тоді як сам об’єкт вже перебував би на відстані у понад 46 млрд світлових років.

Але чи означає це, що простір розширився із надсвітловою швидкістю? Власне, ні, адже розширення Всесвіту не відбувається із якоюсь конкретною швидкістю, а скоріше з відповідним ступенем, що вимірюється у швидкості на одиницю відстані. Зазвичай це розширення вимірюють у кілометрах в секунду на мегапарсек (км/(с·Мпк)), де мегапарсек — це близько 3,26 млн світлових років. У такому разі, якщо швидкість розширення складає 70 км/с/Мпк, то об’єкт на відстані 5 Мпк віддаляється відносно нас зі швидкістю 350 км/с, 100 Мпк — зі швидкістю 7 тис. км/с, а у випадку з об’єктом, розташованим на відстані 10 тис. Мпк, нам здаватиметься, що він віддаляється зі швидкістю у 700 тис. км/с.

З цього не витікає, що якісь об’єкти можуть рухатись із надсвітловою швидкістю. Спеціальна теорія відносності постулює, що два об’єкти в одному просторово-часовому відрізку, тобто, які займають один і той же простір в один і той самий час, не можуть рухатись один відносно одного з надсвітловою швидкістю. Навіть як один з них рухатиметься на північ зі швидкістю 99% від швидкості світла, а другий — на південь із тією самою швидкістю, їхня швидкість не буде дорівнювати 198% швидкості світла відносно одне одного, а буде дорівнювати 99,995% швидкості світла. І це не важливо, як швидко рухатиметься кожен з них, вони ніколи не зможуть перевищити швидкість світла відносно один одного.

Це і є те, що називають відносністю. Вона вимірює відносний рух між двома об’єктами в одній точці простору-часу. Однак Спеціальна теорія відносності описує правила для статичного простору, що не розширюється, і лише випадки прямолінійного, рівномірного руху.

Водночас Загальна теорія відносності вже містить факт розширення простору та усі нелінійні випадки руху. Вимірявши кількість звичайної (баріонної) матерії, темної матерії, темної енергії, нейтрино, випромінення та світла, яке надходить до нас з різних кінців видимого Всесвіту, зміщуючись у червоний спектр внаслідок розширення простору, науковці можуть відтворити розміри Всесвіту у будь-який момент минулого.

Вже за секунду після Великого вибуху розміри Всесвіту складали 10 світлових років, а через рік — 100 тис. світлових років. Однак ніколи жодна частинка при цьому не рухалась з надсвітловою швидкістю відносно іншої.

Розширювався сам простір між частинками, відстань між ними збільшувалась, а довжина хвилі у просторі розтягувалась. І все це тривало мільярди років і триває зараз, та навіть з прискоренням. Навіть якщо ми будемо рухатись зі швидкістю світла, ми ніколи не досягнемо об’єктів, що перебувають від нас на відстані далі 15,6 млрд світлових років, оскільки сам простір між об’єктами продовжує розширюватись. На думку багатьох фізиків, рушійною силою цього розширення є саме енергія вакууму, яка ніби розштовхує простір та прискорює галактики, що віддаляються від нас.

Ми ніколи не зможемо дістатись більшої частини Всесвіту.

Чим далі знаходиться об’єкт спостереження, тим більше він зміщуватиметься у червоний спектр і тим сильніше здаватиметься, що він віддаляється все швидше і швидше відносно вас. Відносно спостерігача ніщо не рухається швидше за світло і це справедливо для будь-якого місця у Всесвіті у будь-який момент часу.

Чим далі астрономи заглядають у космічний простір, тим швидше ці галактики та галактичні скупчення віддаляються. І на великих відстанях — можна бачити, що чим далі вони від нас, то швидше вони віддалятимуться, що і відображене у законі Габбла.

Це також означає, що існують настільки віддалені від нас області Всесвіту, що світлове випромінювання звідти ніколи до нас не дістанеться. Зокрема, це ті частини Всесвіту, які перебувають від нас на відстані 46,1 млрд світлових років. Таким чином будь-який об’єкт на відстані 15,6 млрд світлових років від нас стає навічно недосяжним. А це близько 95% обсягу видимої нам частини Всесвіту.

Якби людство прямо зараз почало досліджувати космос, рухаючись зі швидкістю світла, воно змогло б досягти всіх галактик у цих межах. Однак це не більше 4-5% від поточного видимого Всесвіту. Щороку близько 160 млрд зірок, яких вистачить для утворення однієї невеликої галактики, віддаляються від Землі на недосяжну відстань.