Если Вселенная расширяется, можно понять, почему далёкие галактики удаляются от нас. Но почему не расширяются звёзды, планеты и атомы?
Одним из крупнейших научных сюрпризов XX века стало открытие расширения Вселенной. Удалённые галактики разбегаются от нас и друг от друга быстрее, чем ближе расположенные, будто бы растягивается сама ткань пространства. На крупнейших масштабах плотность материи и энергии Вселенной падали миллиарды лет, и продолжают это делать. А если мы заглянем достаточно далеко, мы увидим галактики, разлетающиеся так быстро, что ничто, что мы могли бы отправить к ним сегодня, не сможет их догнать – не хватит даже скорости света. Но нет ли в этом парадокса? Именно об этом спрашивает читатель:
Если вселенная расширяется быстрее скорости света, почему это не влияет на нашу солнечную систему и расстояния от Солнца до планет? И почему относительное расстояние между звёздами нашей галактики не увеличивается… или оно увеличивается?
Мысль читателя верна, и Солнечная система, расстояния между планетами и звёздами не увеличиваются при расширении Вселенной. Так что же расширяется в расширяющейся Вселенной? Давайте разбираться.
Первоначальное представление о пространстве, выдвинутое Ньютоном, как о фиксированном, абсолютном и неизменном. Это была сцена, на которой массы могли существовать и притягиваться
Когда Ньютон впервые задумался о Вселенной, он представлял себе пространство в виде сетки. Это была абсолютная, фиксированная сущность, наполненная массами, гравитационно притягивающимися друг к другу. Но когда появился Эйнштейн, он понял, что эта воображаемая сетка не фиксирована, не абсолютна, и не похожа на представление Ньютона. Эта сетка похожа на ткань, и эта ткань искривлена, искажена и меняется со временем из-за присутствия материи и энергии. Более того, материя и энергия определяют её искривление.
Искривление пространства-времени гравитационными массами согласно ОТО
Но если бы в вашем пространстве-времени был только набор различных масс, они неизбежно бы схлопнулись и сформировали чёрную дыру. Эйнштейну эта идея не нравилась, поэтому он добавил «поправку» в виде космологической константы. Если существует этот дополнительный член уравнения – дополнительная энергия, пронизывающая пустое пространство – она может отталкивать все эти массы и удерживать Вселенную в неподвижности. Она предотвратит гравитационный коллапс. Добавив её, Эйнштейн позволял Вселенной существовать в почти неподвижном состоянии вечно.
Но не всех привлекала идея статичной Вселенной. Одно из первых решений получил физик по имени Александр Фридман. Он показал, что если не добавлять эту космологическую константу, и заполнить Вселенную энергией – материей, излучением, пылью, жидкостями, и т.д. – то существует два класса решений: один для сжимающейся Вселенной, а другой для расширяющейся.
Модель расширения Вселенной в виде «хлеба с изюмом», где относительные расстояния увеличиваются при расширении пространства (теста)
Математика даёт вам возможные решения, но вам нужно посмотреть на физическую Вселенную, чтобы узнать, какое из них её описывает. Это произошло в 1920-х годах благодаря работам Эдвина Хаббла. Хаббл первым открыл, что можно измерить характеристики отдельных звёзд в других галактиках и определить расстояние до них. Скомбинировав эти измерения с работами Весто Слайфера, показавшего, что у этих объектов происходит сдвиг атомного спектра, он получил удивительный результат.
График видимой скорости расширения (ось y) в зависимости от расстояния (ось x) соответствует Вселенной, быстро расширявшейся в прошлом, но до сих пор расширяющейся и сегодня. Это современная версия работы Хаббла, расширенная на расстояния в тысячи раз большие первоначальных
Либо вся теория относительности неверна, мы находимся в центре Вселенной и всё симметрично убегает от нас, либо теория относительности верна, Фридман прав, и чем дальше от нас галактика, тем быстрее она в среднем удаляется от нас. Одним движением теория расширяющейся Вселенной перешла от простой идеи к лидирующему описанию Вселенной.
Расширение работает немного контринтуитивно. Выглядит всё так, будто ткань пространства со временем растягивается, и все объекты в этом пространстве растаскиваются друг от друга. Чем дальше объект отстоит от другого, тем больше между ними растяжения, тем быстрее они удаляются друг от друга. Если бы у нас была однородно заполненная материей Вселенная, то материя просто становилась бы менее плотной и каждый её участок со временем отдалялся бы от всех остальных.
Холодные флуктуации (синий) реликтового излучения по сути не холоднее, а просто представляют участки, в которых имеется большее гравитационное притяжение из-за большей плотности материи. Горячие участки (красный) горячее, потому что излучение в этих участках живёт в более мелком гравитационном колодце. Со временем более плотные участки превратятся в звёзды, галактики и скопления с большей вероятностью, а менее плотные – с меньшей.
Но Вселенная не является идеально равномерной. В ней есть участки повышенной плотности, типа планет, звёзд, галактик, скоплений галактик. В ней есть участки пониженной плотности, такие, как огромные космические войды, где практически не встретить массивных объектов. Тому причиной наличие других физических явлений, кроме расширения Вселенной. На мелких масштабах, размером с животных и меньше, преобладают электромагнетизм и ядерные силы. На крупных масштабах – планеты, солнечные системы и галактики – преобладает гравитационное воздействие. На крупнейших масштабах – размерах, сравнимых со Вселенной – главная борьба разворачивается между расширением Вселенной и гравитационным притяжением всей имеющейся в ней материи и энергии.
На крупнейших масштабах Вселенная расширяется, и галактики удаляются друг от друга. На маленьких масштабах гравитация пересиливает расширение, что приводит к формированию звёзд, галактик и их скоплений
На крупнейших масштабах расширение побеждает. Самые удалённые галактики удаляются так быстро, что никакие сигналы, которые мы могли бы отправить к ним, даже со скоростью света, никогда до них не дойдут. Сверхскопления Вселенной – длинные, нитевидные структуры, вдоль которых выстраиваются галактики, тянущиеся на миллиарды световых лет – растягиваются и раздвигаются из-за расширения Вселенной. В относительно короткие сроки они исчезнут. И даже ближайшее к Млечному Пути скопление галактик, скопление Девы, находящееся всего в 50 миллионах световых лет от нас, не притянет нас к себе. Несмотря на гравитационное притяжение, более чем в тысячу раз превышающее наше собственное, расширение Вселенной растащит нас в стороны.
Крупный набор из многих тысяч галактик составляет наше ближайшее окружение в пределах 100 000 000 световых лет. Скопление Девы останется гравитационно связанным, но Млечный Путь продолжит со временем отдаляться от него
Но есть и масштабы поменьше, где расширение было побеждено – по крайней мере, локально. Скопление Девы останется связанным гравитационно. Млечный Путь и вся местная группа галактик останется связанной, и в итоге сольётся под действием гравитации. Земля так и будет двигаться по орбите вокруг Солнца на том же расстоянии, Земля останется того же размера, и атомы, из которых состоит всё, расширяться не будут. Почему? Потому, что расширение Вселенной работает только там, где другие взаимодействия – гравитационное, электромагнитное, ядерное – его не преодолели. Если какая-то сила способна удерживать объект в целости, даже расширение Вселенной не сможет его изменить.
Орбиты планет в системе TRAPPIST-1 не меняются с расширением Вселенной благодаря связующей силе гравитации, преодолевающей все последствия расширения
Этому есть неочевидная причина, связанная с тем, что расширение – это не взаимодействие, а больше скорость. Пространство расширяется на всех масштабах, но расширение воздействует только на все объекты совокупно. Между двумя точками пространство будет расширяться с определённой скоростью, но если эта скорость меньше скорости убегания между двумя объектами – если между ними действует связующая их сила – тогда расстояние между ними увеличиваться не будет. Нет увеличения расстояния, нет эффекта от расширения. В любой момент расширение преодолевается с запасом, поэтому оно никогда не приобретёт суммарный эффект, наблюдаемый между несвязанными между собой объектами. В результате стабильные, связные объекты могут выжить без изменений в расширяющейся Вселенной вечно.
Размеры стабильных, удерживаемых вместе объектов, будь они связаны гравитацией, электромагнетизмом или другой силой, не изменятся с расширением Вселенной. Если вам удастся преодолеть космическое расширение, вы останетесь связным навечно.
Пока Вселенная обладает измеренными нами свойствами, так всё и будет продолжаться. Тёмная энергия может существовать и заставлять удалённые галактики двигаться от нас с ускорением, но действие расширения на фиксированном расстоянии меняться не будет. Только в варианте Большого Разрыва – на который не указывают свидетельства – это заключение может измениться.
Ткань пространства может расширяться повсюду, но это не оказывает измеряемого эффекта на объекты. Если какая-то сила удерживает вас в связном состоянии, расширяющаяся Вселенная не будет на вас влиять. Только на самых крупных масштабах, на которых все силы, связующие объекты, слишком слабы, чтобы победить скорость Хаббла, и происходит это расширение. Как однажды сказал физик Ричард Прайс: «Если ваша талия расширяется, вы не можете винить в этом расширение Вселенной».
Автор: Вячеслав Голованов
