Злая физика. Почему большая часть Вселенной всегда будет недосягаемой для человечества?

С тех пор как выдающийся астрофизик Эдвин Хаббл в середине 20-х годов прошлого века открыл, что Вселенная не статична, а постоянно расширяется, а объекты, чей свет доходит до нас, постоянно от нас удаляются, это стало одной из центральных тем для современной науки.

В 1998 году два независимых проекта — Supernova Cosmology Project и High-Z Supernova Search Team обнаружили, что Вселенная расширяется с ускорением. Для этого они длительное время наблюдали за одним и тем же объектом. Результаты наблюдений за далекими галактиками подтвердили, что они удаляются. Была измерена скорость их движения. Через некоторое время астрофизики вернулись к наблюдению за этими объектами и зафиксировали, что они стали удаляться еще быстрее.

Но как именно происходит это расширение? Астрофизики часто говорят, что отдаленные от нас регионы Вселенной продолжают удаляться со сверхсветовой скоростью. Но означает ли это, что какие-то объекты в космосе способны нарушить один из ключевых принципов сформулированной Альбертом Эйнштейном Специальной теории относительности, что ни один объект во Вселенной не может превысить скорость света.

Так, частицы, не имеющие массы, в вакууме могут двигаться со скоростью света. Тогда как все другие объекты с определенной массой где-нибудь, или те же частицы без массы, однако в определенной среде, всегда будут двигаться со скоростью ниже скорости света.

По оценкам астрофизиков, возраст Вселенной составляет около 13,8 млрд лет. Сейчас ученые уже могут измерить не только нынешнюю скорость расширения Вселенной, но и то, какой она была в далеком прошлом и во все промежуточные периоды. К примеру, свет от объекта, находившегося на расстоянии 100 метров от нас на момент Большого взрыва, добрался бы до нас только через 13,8 млрд лет, тогда как сам объект уже находился бы на расстоянии более 46 млрд световых лет.

Но означает ли это, что пространство расширилось со сверхсветовой скоростью? Собственно, нет, ведь расширение Вселенной не происходит с какой-то конкретной скоростью, а скорее с соответствующей степенью, измеряемой в скорости на единицу расстояния. Обычно это расширение измеряют в километрах в секунду на мегапарсек (км/(с-Мпк)), где мегапарсек — это около 3,26 млн световых лет. В таком случае, если скорость расширения составляет 70 км/с/Мпк, то объект на расстоянии 5 Мпк удаляется относительно нас со скоростью 350 км/с, 100 Мпк — со скоростью 7 тыс. км/с, а в случае с объектом, расположенным на расстоянии 10 тыс. Мпк, нам будет казаться, что он удаляется со скоростью в 700 тыс. км/с.

Из этого не следует, что какие-то объекты могут двигаться со сверхсветовой скоростью. Специальная теория относительности постулирует, что два объекта в одном пространственно-временном отрезке, то есть, занимающие одно и то же пространство в одно и то же время, не могут двигаться друг относительно друга со сверхсветовой скоростью. Даже если один из них будет двигаться на север со скоростью 99% от скорости света, а второй — на юг с той же скоростью, их скорость не будет равна 198% скорости света относительно друг друга, а будет равна 99,995% скорости света. И не важно, как быстро будет двигаться каждый из них, они никогда не смогут превысить скорость света относительно друг друга.

Это и есть то, что называют относительностью. Она измеряет относительное движение между двумя объектами в одной точке пространства-времени. Однако Специальная теория относительности описывает правила для статичного, не расширяющегося пространства и лишь случаи прямолинейного, равномерного движения.

В то же время Общая теория относительности уже содержит факт расширения пространства и все нелинейные случаи движения. Измерив количество обычной (барионной) материи, темной материи, темной энергии, нейтрино, излучения и света, который поступает к нам из разных концов видимой Вселенной, смещаясь в красный спектр. Через расширения пространства ученые могут воспроизвести размеры Вселенной в любой момент прошлого.

Уже через секунду после Большого взрыва размеры Вселенной составляли 10 световых лет, а через год — 100 тыс. световых лет. Однако никогда ни одна частица при этом не двигалась со сверхсветовой скоростью относительно другой.

Расширялось само пространство между частицами, расстояние между ними увеличивалось, а длина волны в пространстве растягивалась. И все это продолжалось миллиарды лет и продолжается сейчас, и даже с ускорением. Даже если мы будем двигаться со скоростью света, мы никогда не достигнем объектов, находящихся от нас на расстоянии дальше 15,6 млрд световых лет, поскольку само пространство между объектами продолжает расширяться. По мнению многих физиков, движущей силой этого расширения является именно энергия вакуума, которая как бы расталкивает пространство и ускоряет отдаляющиеся от нас галактики.

Мы никогда не сможем добраться до большей части Вселенной.

Чем дальше находится объект наблюдения, тем больше он будет смещаться в красный спектр и тем сильнее будет казаться, что он удаляется все быстрее и быстрее относительно вас. Относительно наблюдателя ничто не движется быстрее света и это справедливо для любого места во Вселенной в любой момент времени.

Чем дальше астрономы заглядывают в космическое пространство, тем быстрее эти галактики и галактические скопления удаляются. И на больших расстояниях — можно видеть, что чем дальше они от нас, тем быстрее они будут удаляться. Это и отражено в законе Хаббла.

Подобное также означает, что существуют настолько удаленные от нас области Вселенной, что световое излучение оттуда никогда до нас не доберется. В частности, это те части Вселенной, которые находятся от нас на расстоянии 46,1 млрд световых лет. Таким образом любой объект на расстоянии 15,6 млрд световых лет от нас становится навечно недосягаемым. А это около 95% объема видимой нам части Вселенной.

Если бы человечество прямо сейчас начало исследовать космос, двигаясь со скоростью света, оно смогло бы достичь всех галактик в этих пределах. Однако это не более 4-5% от текущей видимой Вселенной. Каждый год около 160 млрд звезд, которых хватит для образования одной небольшой галактики, удаляются от Земли на недосягаемое расстояние.