Нередко можно услышать заявления астрофизиков и космологов о том, что крайне далекие регионы Вселенной отдаляются от нас быстрее скорости света. Но что именно это значит? Имеют ли они в виду то, что во Вселенной есть объекты, способные превысить одну из самых фундаментальных величин.

Самый фундаментальный закон Специальной теории относительности в свое время привел Эйнштейна к осознанию самой прорывной идеи в физике — о том, что ничто не может двигаться быстрее света. Безмассовые частицы в вакууме движутся со скоростью света, тогда как все остальное — частица с массой где-либо или безмассовая частица в среде — будут всегда двигаться медленнее скорости света. Но когда разговор заходит о расширении Вселенной, часто возникают мысли о том, что это происходит быстрее скорости света. Попробуем разобраться, так ли это.

Вселенная, какой мы ее видим сегодня, существует уже примерно 13,8 миллиарда лет — со времен горячего Большого взрыва. Но если вы спросите, как далеко мы можем смотреть в какую-либо сторону, то ответ будет не 13,8 миллиарда световых лет, а гораздо больше. Если задуматься, то можно представить расстояние вдвое большее: если объект, излучающий свет, находился от «нас» в 13,8 миллиарда световых лет 13,8 миллиарда лет назад, то он, скорее всего, излучал свет, отдаляясь от нас — возможно, даже со скоростью, близкой к световой. Если яркий объект существовал так давно и постоянно двигался от нас со скоростью 299 792 километра в секунду, его свет достиг бы нас только сейчас, хотя сам объект уже был бы в 27,6 миллиарда лет от нас. Все это звучит разумно, но может привести нас к не очень хорошему предположению о том, что само пространство статично.

Пространство, в котором мы живем, не статично — оно расширяется. Более того, мы можем измерить сегодняшнюю скорость расширения, какой она была в далеком прошлом и какой она была во все «промежуточные» эпохи. Оказывается, свет объекта, находившегося от нас всего в 168 метрах в момент Большого взрыва (ладно, 10-33 секунд после Большого взрыва), достиг бы нас только сегодня, спустя 13,8 миллиарда лет, после невероятного путешествия и нереальной степени растягивания, а сам объект находился бы сейчас в 46,1 миллиарда световых лет от нас.

Эволюция Вселенной от момента Большого взрыва, согласно стандартной космологической модели / © NASA / GSFC

«Ага! — воскликните вы. — Значит, пространство расширилось быстрее скорости света!»

Так ли? Просто для того, чтобы что-то двигалось быстрее света, ему должна быть свойственна скорость: что-то, что можно измерить, например километры в секунду. Но Вселенная расширяется совсем не так.

Напротив, она расширяется со скоростью на единицу расстояния. Обычно это измеряется как километры в секунду на мегапарсек, где мегапарсек — около 3,26 миллиона световых лет. Если скорость расширения составляет 70 км/с/Мпк, это означает, что в среднем объект, расположенный в 10 Мпк от нас, отдаляется со скоростью 700 км/с с нашей точки зрения, в 200 Мпк — 14 000 км/с, а в случае с объектом в 5 000 Мпк нам будет казаться, что он отдаляется со скоростью 350 тысяч км/с.

Однако следует ли из этого, что какие-то объекты движутся быстрее света? Давайте вернемся к Специальной теории относительности Эйнштейна и подумаем, что мы имеем в виду, когда говорим, что ничто не может двигаться быстрее света. Это означает, что если у вас есть два объекта в одном пространственно-временном событии — занимающие одно и то же пространство в одно и то же время, — то они не могут двигаться относительно друг друга быстрее скорости света. Даже если один из них движется на север на 99% скорости света, а другой движется с такой же скоростью на юг, их скорость не будет составлять 198% скорости света относительно друг друга, а будет равняться 99,995% скорости света. Не важно, как быстро каждый из них движется, — они никогда не превысят скорость света относительно друг друга.

Наблюдаемая Вселенная может достигать 46 миллиардов световых лет во всех направлениях с нашей точки зрения, но за ее пределами определенно есть области, которые мы не можем наблюдать. 46 миллиардов световых лет – это всего лишь предел, доступный для нашего наблюдения / © Frédéric MICHEL/Andrew Z. Colvin

Именно поэтому это и называется относительностью: она измеряет относительное движение между двумя объектами в одной точке в пространстве и времени. Но этот тип относительности — Специальная теория относительности — устанавливает правила в вашей области нерасширяющегося пространства. Общая теория относительности добавляет к этому еще один уровень: факт расширения самого пространства. Измерив количество обычного вещества, темного вещества, темной энергии, нейтрино, излучения и других вещей в сегодняшней Вселенной, а также то, как свет, достигающий нас с разных расстояний во Вселенной, смещается в красный спектр в результате расширения, мы можем воссоздать, насколько большой была Вселенная в любой момент прошлого.

Когда Вселенной было около 10 тысяч лет, ее наблюдаемая часть уже была размером в 10 миллионов световых лет. Когда ей был всего год, наблюдаемая Вселенная была размером 100 тысяч световых лет. Когда ей была всего одна секунда, она уже была размером 10 световых лет. Да, все это и правда звучит так, будто она расширяется быстрее света. Но ни в один момент времени ни одна частица не двигалась быстрее света по отношению к другой частицей, с которой взаимодействовала.

Чем дальше галактика, тем быстрее она от нас отдаляется и тем сильнее ее свет смещается в красный спектр, вынуждая нас смотреть на все боле длинные волны. За пределами определенного расстояния, галактики становятся недостижимыми даже на скорости света / © Larry McNish/RASC Calgary Center

Напротив, расширялось само пространство между частицами, в процессе чего расстояние между ними увеличивалось, а длина волны излучения в этом пространстве растягивалась. Это продолжалось много миллиардов лет в течение космической истории и продолжается сегодня. Несмотря на то что мы никогда не сможем достичь никаких объектов, находящихся дальше 15,6 миллиарда лет на данный момент, даже если будем двигаться со скоростью света (что по определению невозможно), то не из-за того, что они отдаляются быстрее света, а потому, что пространство между разными точками продолжает расширяться.

Главный вывод заключается в том, что пространство не расширяется с какой-то конкретной скоростью, а скорее с определенной степенью: со скоростью на единицу расстояния. В итоге чем дальше объект, на который вы смотрите, тем больше расширение влияет на расстояние между вами. Чем дальше от вас объект, тем краснее он будет выглядеть и тем быстрее будет отдаляться с вашей точки зрения. Но быстрее ли света? Для того чтобы измерить это, вам надо находиться в той же области. Относительно вашего местоположения ничто не движется быстрее света, и это можно сказать о любом месте во Вселенной в любое время. Пространство расширяется, но не быстрее света, более того, у этого расширения нет скорости.

Источник: Naked Science

Читайте также:

– С точки зрения науки: любовь без ответа;

– Живем ли мы в голограмме;

– Что такое информационный парадокс черных дыр.

Впервые явление сдвига спектральных линий в спектрах звёзд при спектральном анализе было замечено французом И. Физо в 1848 году и он предложил это явление объяснить с помощью эффекта Доплера. Суть явления проста: чем больше смещение в красную сторону в спектрограмме объекта, тем быстрее удаляется от нас объект. Вообще, при удалении свет от объекта «краснеет», а при приближении «сдвигается» в фиолетовую сторону.

Красное смещение есть и у целых галактик. Благодаря красному смещению было открыто вращение галактик. С одного края свет от галактики смещается в красную сторону, с другого — в фиолетовую. Соответственно, она вращается! Далёкие галактики имеют большее смещение, нежели близкие, и величина его растёт пропорционально расстоянию. Следовательно, чем дальше галактика — тем быстрее она удаляется от нас.
Красное смещение, в соответствии с теорией относительности, рассматривается в концепции расширения пространства. Смещение это также вызвано и расширяющимся пространством, и собственным движением галактик. Объясняется все просто: за время путешествия в космосе света от источника до нас, происходит еще и расширение пространства. Как следствие, расширяется и длина волны от источника во время своего пути. При двукратном расширении пространства, длина волны тоже увеличится вдвое.

Расширение пространства

Красное смещение – индикатор расширения Вселенной. В процессе расширяющегося пространства, галактики увеличивают расстояния между собой, но их координаты остаются прежними. Этот процесс можно уяснить, если представить, что пространство – это резиновый шарик, на который «приклеены» галактики. При её сферичной форме, расстояния между объектами будут расти во всех точках при надувании шарика. Только вот центра, от которого происходит удаление, не будет. Но тогда должны изменяться линейные размеры и внутри Солнечной системы. Из этого следует, что должно изменится и значение эталона длины – метра. Тогда получается, что количество метров до удалённых объектов всегда остаётся прежнее, и возможности для измерения расширения пространства нет.

Красное смещение и квазары

Х.Арп, один из первооткрывателей квазаров, предполагает, что эти объекты обладают собственным, внутренним, красным смещением. Оно не зависит от удаления объекта. Квазары-достаточно маленькие объекты в космических масштабах. Но если красные смещения верны в свете закона Хаббла, то и расстояния до них, и их массы, да и скорости их удаления будут иметь громадные величины.

Красное смещение объекта 3С48 показывает, что его скорость составляет около половины скорости света, а расстояние до него – 3,78 млрд. световых лет. А квазар 3С196 вообще побил все рекорды: его удаление – 12 млрд. световых лет, а скорость почти 200 тысяч км/сек!
«Старение» света

Некоторые астрономы подвергают сомнению теорию красного смещения, вернее, вывода, что его природа заставляет галактики обязательно разбегаться, да ещё с фантастическими скоростями. Была выдвинута идея, что свет, из-за чрезвычайно долгого путешествия сквозь разреженный газ межгалактического пространства, краснеет. Это происходит из-за потери спектром коротких волн, и туманности становятся краснее, хотя линии спектра не смещаются. Но красное смещение подразумевает именно этот процесс. Возможно, свет, бесконечно долго путешествуя во Вселенной, теряет часть своей энергии. Из-за этого происходит удлинение волн, порождающее красное смещение, но не связанное с разбеганием галактик. Однако, эта теория ещё не нашла подтверждения, никто еще не смог доказать, что свет каким-либо образом может терять энергию. Да и куда эта энергия девается — большой вопрос. На примере квазаров видно: чем они дальше от нас, тем больше их красное смещение, и как говорилось, соответственно, больше их скорость удаления.

http://light-science.ru/fizika/krasnoe-smeshhenie.html