Сусвет, якая разрастаецца, поўная галактык і складаная структура, якую мы назіраем сёння, узнікла з меншага, больш гарачага, шчыльнага і больш раўнамернага стану. На самых ранніх этапах касмічнай інфляцыі Сусвет вырас велізарнай колькасцю, расцягваючы часціцы па ўсёй Сусвеце і ўдалечыні адзін ад аднаго ў маленькай долі секунды. (К. Фошер-Жыгер, А. Лідз і Л. Эрквіст, навука 319, 5859 (47))

Чаму касмічная інфляцыя не парушае хуткасць святла?

Калі яна можа расцягнуць Сусвет ад памеру субатамнай часціцы да мільярдаў светлавых гадоў за долю секунды, чаму адноснасць Эйнштэйна не забараняе гэтага?

Калі вы думаеце пра тое, адкуль пайшла Сусвет, вы, верагодна, думаеце пра гарачы Вялікі выбух як пра сваё паходжанне. Згодна з Вялікім выбухам, мы пачалі з ранняга, шчыльнага, раўнамернага стану высокаэнергетычнай матэрыі і выпраменьвання, якое потым пашырылася, астудзілася і скупчылася, каб стаць Сусветнай, якую мы насяляем сёння. Але да самога Вялікага выбуху Сусвет перажыла перыяд касмічнай інфляцыі, якая стварыла першапачатковыя ўмовы, з якімі нарадзілася наша сучасная Сусвет. Падчас інфляцыі Сусвет пашыралася ў геаметрычнай прагрэсіі, расцягваючы тканіну мініяцюрнай прасторы космасу, каб яна была далёка не нашмат большай, чым назіральная Сусвет, і гэта толькі маленькая доля секунды. Любыя дзве часціцы ўбачаць адзін аднаго, які адыходзіць значна хутчэй, чым хуткасць святла, стварыўшы парадокс: калі нічога не можа рухацца хутчэй, чым святло, як працуе інфляцыя? Адказ літаральна змяніць тое, як вы глядзіце на Сусвет.

Гадзіннік, утвораны фатонам, які адскоквае паміж двума люстэркамі, будзе вызначаць час для назіральніка. Нават тэорыя асаблівай адноснасці, якая мае ўсе эксперыментальныя доказы, ніколі не можа быць даказана. Але правілы працуюць толькі для двух назіральнікаў на адной і той жа «падзеі» ў прасторы і ў часе. (Джон Д. Нортан)

Спецыяльная тэорыя адноснасці Эйнштэйна - адзін з найважнейшых дасягненняў, дасягнуты на працягу 20 стагоддзя. У ім гаворыцца, што для Сусвету існуе абмежаванне хуткасці: хуткасць святла і што ні адна часціца не можа рухацца хутчэй, чым адносна адна адной, нават калі яны бязлітасныя. Але большасць людзей не разумее, што значыць апошняя частка - адносна адной. На самой справе тэорыя Эйнштэйна кажа, што любыя два назіральніка за адным і тым жа падзеяй у прасторы-часе не могуць перамяшчацца адносна аднаго хутчэй, чым хуткасць святла ў вакууме. Але што такое падзея? Гэта адно і тое ж месца і ў прасторы, і ў часе. Іншымі словамі, той факт, што абмежаванне хуткасці c з'яўляецца універсальным абмежаваннем хуткасці, ставіцца толькі да двух аб'ектаў у той жа кропцы адначасова.

Усе бязмасштабныя часціцы рухаюцца са хуткасцю святла, уключаючы фатон, глюон і гравітацыйныя хвалі, якія ажыццяўляюць электрамагнітнае, моцнае ядзернае і гравітацыйнае ўзаемадзеянне адпаведна. Але калі прастора паміж фатонамі і часціцамі пашыраецца, скарачаецца ці змяняецца якім-небудзь чынам, нам трэба выйсці за рамкі спецыяльнай адноснасці, каб зразумець рэчы. (NASA / Дзяржаўны універсітэт Sonoma / Aurore Simonon)

Гэта не значыць, што аб'екты могуць парушыць касмічную абмежаванне хуткасці! Але гэта азначае, што, калі вы не знаходзіцеся ў той жа кропцы адначасова, розныя аглядальнікі не згодныя з тым, як хутка рухаюцца аб'екты. Калі два ракетныя караблі аддаляюцца ад вас, адзін злева і адзін направа, з хуткасцю святла 60%, вы ўбачыце, як яны аддаляюцца адзін ад аднаго са хуткасцю святла 120%. Кожны з іх будзе бачыць, як вы адыходзіце ад сябе са хуткасцю святла на 60%, але другі карабель бачыць толькі хуткасць святла на 88%. І калі яны жывуць у Сусвеце, які пашыраецца, усё становіцца яшчэ больш дзіўным.

Паветраны шар / манета аналогіі пашыраецца Сусвету. Асобныя структуры (манеты) не пашыраюцца, але адлегласці паміж імі робяць у Сусвеце, якая пашыраецца. Гэта можа быць вельмі збянтэжана, калі вы настойваеце на тым, каб прыпісаць усе бачныя руху адноснай хуткасці разглядаемых часціц. (Э. Зігель / За Галактыкай)

Паколькі абмежаванні хуткасці распаўсюджваюцца толькі на два аб'екты ў адно і тое ж прасторава-часовая падзея, аб'екты, якія аддзяляюцца адзін ад аднаго - скажам, прасторай, - падлягаюць любым дадатковым рухам, якія адбываюцца з-за змены тканіны самой прасторы. Калі прастора пашыраецца (альбо скарачаецца) паміж вамі і аб'ектам, які вы назіраеце, ён, здаецца, адыдзе ад вас (ці насустрач вам) яшчэ хутчэй: відавочны рух - гэта спалучэнне вашага адмысловага рэлятывісцкага руху і агульных рэлятывісцкіх з'яў развіваецца прасторы. Незалежна ад прасторы хуткасці, якая пашыраецца (альбо скарачаецца), святло ад яе будзе змяняцца чырвоным колерам (альбо змяняцца ў чарговы час) на пэўную колькасць, у выніку чаго гэты аб'ект, здаецца, адыходзіць ад вас, нават калі яго адмысловы рэлятывісцкі рух роўны нулю.

У наш Сусвет сёння святло, якое паступае з далёкай галактыкі, перамяшчаецца ў чырвонае, таму што Сусвет пашыраецца. Хуткасць пашырэння ў мінулым была большай, і для гэтага больш аддаленыя аб'екты, здаецца, адыходзілі нават хутчэй, чым паказвае наіўная экстрапаляцыя хуткасці пашырэння: гэта таму, што наша Сусвет не ўтрымлівае проста рэчыва і выпраменьванне, а цёмная энергіі. Тое, як хуткасць пашырэння змяняецца з цягам часу, вызначаецца тым, з чаго складаецца ваша Сусвет. У першыя некалькі тысяч гадоў пасля Вялікага выбуху панавала радыяцыя. На працягу мільярдаў гадоў пасля гэтага справа панавала. І сёння гэта цёмная энергія. Але да Вялікага выбуху прастора пашырылася з экспанентнай, велізарнай хуткасцю, якая расцягнула Сусветную плоскую і надавала ёй паўсюль аднолькавыя ўласцівасці. Гэта было ў перыяд касмічнай інфляцыі.

Наколькі матэрыя (уверсе), выпраменьванне (у сярэдзіне) і касмалагічная канстанта (знізу) эвалюцыянуюць з часам у Сусвеце, якая пашыраецца. Звярніце ўвагу, як правільна змяняецца хуткасць пашырэння; у выпадку касмалагічнай канстанты (гэта эфектыўна тое, што яна робіць падчас інфляцыі), хуткасць пашырэння зусім не падае, што прыводзіць да экспанентнай экспансіі. (Э. Зігель / За Галактыкай)

Экспанентнае пашырэнне азначае, што замест таго, каб хуткасць пашырэння была павольнай з цягам часу, пры аддаленых кропках адступлення адзін ад аднаго пры ўсё меншых хуткасцях хуткасць пашырэння зусім не падае. У выніку аддаленыя месцы - з часам паступова - дабіраюцца ўдвая, потым чатыры разы, восем, шаснаццаць, трыццаць два і г.д.

Паколькі пашырэнне не толькі экспанентнае, але і неверагодна хуткае, "падваенне" адбываецца ў тэрмінах каля 10 ^ -35 секунд. Азначае, што да часу, прайшло 10 ^ -34 секунд, Сусвет прыблізна ў 1000 разоў перавышае свой пачатковы памер; да часу прайшло 10 ^ -33 секунд, Сусвет складае каля 10³⁰ (або 1000¹⁰) у параўнанні са сваім першапачатковым памерам; да часу прайшло 10 ^ -32 секунд, Сусвет прыблізна ў 10³⁰⁰ разоў перавышае свой пачатковы памер і гэтак далей. Экспаненцыя не такая магутная, таму што хутка; ён такі магутны, таму што ён бязлітасны.

Гэтая дыяграма паказвае, у маштабе, як прасторавы час развіваецца / пашыраецца за аднолькавыя крокі часу, калі ў Вашай Сусвеце пераважаюць рэчыва, выпраменьванне ці энергія, уласцівая самому космасу, прычым апошняя адпавядае касмічнай інфляцыі. Інфляцыя прыводзіць да таго, што прастора пашыраецца ў геаметрычнай прагрэсіі, што можа вельмі хутка прывесці да таго, што раней выгнутае або нягладкае прастору не адрозніваецца ад плоскага, і вельмі хутка імкнецца размясціць дзве неадпаведныя часціцы. (Э. Зігель)

Калі ў гэты інфляцыйны стан дзве часціцы будуць створаны вельмі блізка адна ад адной, яны ўсё роўна павінны выконваць законы спецыяльнай адноснасці: яны могуць рухацца толькі адносна адной з хуткасцю, меншай (або роўнай, калі яны бязважкія), хуткасць святла. Але прастора паміж імі можа пашырацца з якой бы хуткасцю дыктаваў Сусвет. Калі гэта азначае, што вы экстраполіруеце іх адносную хуткасць больш, чым хуткасць святла, спалучаючы эфекты адноснага руху (спецыяльная адноснасць) з пашыральнай прасторай (агульная адноснасць), нічога такога не забараняе. Вы проста памыліцеся, калі аднесці поўную частку бачнага касмічнага руху да адмысловай адноснасці. І вам нават не трэба ісці ў інфляцыйны стан, каб сутыкнуцца з гэтай праблемай.

Поўны ўльтрафіялетавы кампанент XDF; найвялікшы вобраз, калі-небудзь выпушчаны з далёкага Сусвету. У рэгіёне, які складае толькі 1/320000000-га неба, мы знайшлі 5500 ідэнтыфікаваных галактык, і ўсё дзякуючы касмічнаму тэлескопу

Калі вы сёння паглядзіце на галактыкі нашага Сусвету, тыя, якія знаходзяцца за межамі каля 15 мільярдаў светлавых гадоў, ужо, здаецца, адыходзяць ад нас хутчэй, чым хуткасць святла. Калі б вы сёння трапілі ў касмічны карабель і выляцелі да іх са светлавой хуткасцю, вы ніколі не дасягнеце іх. Пашырэнне Сусвету вучыць нас, што хуткасць, з якой расцягваецца тканіна, перавышае адлегласць, якое мы можам пераадолець нават пры хуткасці святла; адлегласць паміж намі і імі павялічваецца больш чым у светлавы год з кожным годам, які праходзіць. Акрамя крытычнай адлегласці ў Сусвеце, усе галактыкі, якія там знаходзяцца, ужо назаўжды недаступныя. Ніякіх тэарэтычных абмежаванняў на хуткасць пашырэння няма, паколькі яна сама па сабе не хуткасць, а ўласцівасць Сусвету, якая вызначаецца колькасцю энергіі ў ёй. Сёння гэта хуткасць каля 70 км / с / мпс, але падчас інфляцыі яна, верагодна, была ў 10 разоў вышэй.

У межах назіральнага Сусвету (жоўты круг) знаходзіцца каля 2 трыльёнаў галактык. Галактыкі больш чым на траціне шляху да межаў таго, што мы можам назіраць, ніколі не могуць быць дасягнуты з-за пашырэння Сусвету, пакінуўшы толькі 3% аб'ёму Сусвету адкрытым для даследавання чалавека. (Карыстальнікі Wikimedia Commons Azcolvin 429 і Frédéric MICHEL / E. Siegel)

У інфляцыйным Сусвеце любыя дзве часціцы, акрамя мініяцюрнай долі секунды, убачаць, што другая адыходзіць ад іх са хуткасцямі, якія здаюцца больш хуткімі, чым ад святла. Але прычына ў гэтым не таму, што самі часціцы рухаюцца, а ў тым, што прастора паміж імі пашыраецца. Пасля таго, як часціцы перастануць знаходзіцца ў адным і тым жа прасторы і ў часе, яны могуць пачаць адчуваць агульныя рэлятывісцкія эфекты пашыральнай Сусвету, якая - падчас інфляцыі - хутка дамінуе над адмысловымі рэлятывісцкімі эфектамі іх асобных рухаў. І толькі калі мы забываемся пра агульную адноснасць і пашырэнне прасторы, і замест таго, каб аднесці ўвесь рух аддаленай часціцы да адмысловай адноснасці, мы падманваем сябе, мяркуючы, што яна падарожнічае хутчэй, чым святло. Сам Сусвет, аднак, не з'яўляецца статычным. Зразумеўшы, што гэта лёгка. Разуменне таго, як гэта працуе, з'яўляецца складанай часткай.

Цяпер пачынаецца з выбуху на Forbes, і апублікаваны на Medium дзякуючы нашым прыхільнікам Patreon. Этан з'яўляецца аўтарам дзвюх кніг "За межамі Галактыкі" і "Трэкнологія: Навука пра зорны шлях" ад трыкутнікаў да "драйву".