Kosmologové jsou cestovateli intelektuálního času. Při pohledu zpět na miliardy let jsou tito vědci schopni sledovat vývoj našeho vesmíru v úžasných detailech. Během následujících věků se náš vesmír rozrostl do tak obrovské velikosti, že už nemůžeme vidět jeho druhou stranu.
Ale jak to může být? Pokud rychlost světla označuje kosmický rychlostní limit, jak mohou existovat oblasti časoprostoru, jejichž fotony jsou navždy mimo náš dosah? A i když ano, jak víme, že vůbec existují?
Rozšiřující se vesmír
Stejně jako všechno ostatní ve fyzice, i náš vesmír se snaží existovat v nejnižším možném energetickém stavu. Ale kolem 10-36 vteřiny po Velkém třesku se inflační kosmologové domnívají, že se kosmos namísto toho opíral o „falešnou vakuovou energii“ - nízký bod, který ve skutečnosti nebyl nízkým bodem. Při hledání opravdového minima vakuové energie, během minutové zlomky vteřiny, se předpokládá, že vesmír vzrostl faktorem 1050.
Od té doby se náš vesmír dále rozšiřoval, ale mnohem pomaleji. Vidíme důkaz této expanze ve světle ze vzdálených objektů. Jak se fotony vysílané hvězdou nebo galaxií šíří vesmírem, protahování vesmíru způsobuje, že ztratí energii. Jakmile nás fotony dorazí, jejich vlnové délky byly redshiftovány podle vzdálenosti, kterou urazily.
To je důvod, proč kosmologové mluví o červeném posunu jako funkci vzdálenosti v prostoru i čase. Světlo z těchto vzdálených objektů putovalo tak dlouho, že když jsme ho konečně viděli, viděli jsme objekty tak, jak byly před miliardami let.
Hubbleův svazek
Červené světlo nám umožňuje vidět objekty jako galaxie, jak existovaly v dávné minulosti; ale my nevidíme Všechno události, ke kterým došlo v našem vesmíru během jeho historie. Protože se náš vesmír rozšiřuje, světlo z některých objektů je prostě příliš daleko na to, abychom ho nikdy neviděli.
Fyzika této hranice se částečně spoléhá na kus okolního časoprostoru zvaného Hubbleův svazek. Zde na Zemi definujeme Hubbleův objem měřením něčeho, co se nazývá Hubbleův parametr (H0), hodnota, která souvisí se zdánlivou rychlostí recese vzdálených objektů s jejich červeným posunem. Poprvé to bylo vypočteno v roce 1929, když Edwin Hubble zjistil, že vzdálené galaxie vypadají, že se od nás vzdálí rychlostí, která byla úměrná červenému posunu jejich světla.
Dělení rychlosti světla pomocí H0, dostaneme Hubbleův objem. Tato sférická bublina obklopuje oblast, kde se všechny objekty pohybují pryč od centrálního pozorovatele rychlostí nižší než je rychlost světla. Odpovídajícím způsobem se všechny objekty mimo svazek Hubble pohybují od středurychlejší než rychlost světla.
Ano, „rychlejší než rychlost světla.“ Jak je tohle možné?
Kouzlo relativity
Odpověď souvisí s rozdílem mezi speciální relativitou a obecnou relativitou. Speciální relativita vyžaduje to, čemu se říká „inerciální referenční rámec“ - jednodušeji pozadí. Podle této teorie je rychlost světla stejná při porovnání ve všech inerciálních referenčních rámcích. Ať už pozorovatel sedí na lavičce v parku na planetě Zemi nebo se přibližuje kolem Neptunu ve futuristické vysokorychlostní raketové lodi, rychlost světla je vždy stejná. Foton vždy cestuje pryč od pozorovatele rychlostí 300 000 000 metrů za sekundu a on nebo ona nikdy dohoní.
Obecná relativita však popisuje samotnou strukturu časoprostoru. V této teorii neexistuje žádný inerciální referenční rámec. Prostor se nerozšiřuje s ohledem na cokoli mimo sebe, takže rychlost světla jako limit jeho rychlosti neplatí. Ano, galaxie mimo naši Hubblovu kouli ustupují od nás rychleji než rychlost světla. Samotné galaxie však neporušují žádné kosmické rychlosti. Pro pozorovatele v jedné z těchto galaxií nic neporušuje vůbec žádnou speciální relativitu. Je to prostor mezi námi a těmi galaxiemi, který se rychle šíří a exponenciálně se protahuje.
Pozorovatelný vesmír
Nyní pro další bombový náboj: Svazek Hubble není stejná jako pozorovatelný vesmír.
Abychom tomu porozuměli, vezměte v úvahu, že se stárnutím vesmíru má vzdálené světlo více času na to, abychom se dostali k našim detektorům zde na Zemi. Můžeme vidět objekty, které se zrychlily za náš současný objem Hubble, protože světlo, které dnes vidíme, bylo emitováno, když byly uvnitř.
Přísně vzato, náš pozorovatelný vesmír se kryje s něčím, co se nazývá horizont částic. Horizon částic označuje vzdálenost od nejvzdálenějšího světla, kterou můžeme v tuto chvíli vidět - fotony, které měly dost času, aby buď zůstaly uvnitř, nebo dohnaly, naše jemně se rozvíjející Hubbleovu kouli.
A co je tato vzdálenost? O něco více než 46 miliard světelných let v každém směru - což dává našemu pozorovatelnému vesmíru průměr přibližně 93 miliard světelných let nebo více než 500 miliard bilionů mil.
(Rychlá poznámka: horizont částic není to samé jako kosmologický horizont událostí. Horizont částic zahrnuje všechny události v minulosti, které v současnosti můžeme vidět. Na druhé straně horizont kosmologické události definuje vzdálenost, v níž bude budoucí pozorovatel schopen vidět tehdy starověké světlo, které náš malý koutek časoprostoru dnes vyzařuje.
Jinými slovy, horizont částic se zabývá vzdáleností od minulých objektů, jejichž starověké světlo, které dnes můžeme vidět; kosmologický horizont událostí se zabývá vzdáleností, kterou naše dnešní světlo, které bude schopno cestovat jako vzdálené oblasti vesmíru, zrychlí od nás.)
Temná energie
Díky expanzi vesmíru existují oblasti vesmíru, které nikdy neuvidíme, i když bychom mohli čekat nekonečné množství času, než k nám dorazí jejich světlo. Ale co tyto oblasti těsně za hranicemi našeho současného Hubbleova objemu? Pokud se tato sféra také rozšiřuje, budeme někdy schopni tyto hraniční objekty vidět?
To záleží na tom, která oblast se rozšiřuje rychleji - Hubbleův svazek nebo části vesmíru právě mimo něj. A odpověď na tuto otázku závisí na dvou věcech: 1) zda H0 roste nebo klesá a 2) zda vesmír zrychluje nebo zpomaluje. Tyto dvě sazby jsou úzce spjaty, ale nejsou stejné.
Kosmologové věří, že ve skutečnosti žijeme v době, kdy H0 klesá; ale kvůli temné energii se rychlost expanze vesmíru zvyšuje.
To může znít kontraintuitivně, ale dokud H0 klesá pomaleji hodnotit než to, u kterého roste expanzní rychlost vesmíru, celkový pohyb galaxií pryč od nás stále probíhá zrychleným tempem. A v tuto chvíli se kosmologové domnívají, že expanze vesmíru překoná skromnější růst Hubbleova objemu.
Takže i když se náš Hubbleův objem rozšiřuje, zdá se, že vliv temné energie poskytuje tvrdou hranici stále rostoucímu pozorovatelnému vesmíru.
Naše pozemská omezení
Zdá se, že kosmologové dobře zvládají hluboké otázky, jako to, jak bude vypadat náš pozorovatelný vesmír a jak se změní expanze vesmíru. Ale nakonec mohou vědci teoretizovat odpovědi na otázky o budoucnosti pouze na základě jejich současného pochopení vesmíru. Kosmologické harmonogramy jsou tak nepředstavitelně dlouhé, že není možné říci nic konkrétního o tom, jak se bude vesmír chovat v budoucnosti. Dnešní modely odpovídají současným datům pozoruhodně dobře, ale pravdou je, že nikdo z nás nebude žít dostatečně dlouho, aby viděl, zda předpovědi skutečně odpovídají všem výsledkům.
Zklamání? Tak určitě. Ale rozhodně stojí za námahu pomoci našim malým mozkům uvažovat o takové vědě o blogování mysli - realita, která je jako obvykle jen obyčejně cizí než fikce.
