Со Вселенной происходит нечто странное: она растягивается, а может создает новый космос

Доказательства того, что Вселенная расширяется, неопровержимы. Но как именно происходит это расширение?

Расширение Вселенной

Почти 100 лет назад ученые выяснили, что Вселенная не является статичной. Одно из предсказаний общей теории относительности Эйнштейна заключается в том, что любая Вселенная, пока она равномерно заполнена одним или несколькими видами материи, излучения или энергии, не может оставаться неизменной с течением времени. Вместо этого она должна либо расширяться, либо сжиматься. Но в конце 20-х годов прошлого века астрономы выяснили, что Вселенная все же расширяется.

Но что именно происходит с тканью пространства во время этого процесса? Растягивается ли само пространство? Или может быть создается новое пространство, которое заполняет "промежутки", созданные во время расширения Вселенной?

Общая теория относительности связывает между собой две важные вещи:

количество, распределение и типы энергий, включая материю, антиматерию, темную материю, излучение, нейтрино и все остальное, что есть во Вселенной;
геометрию, лежащую в основе пространства-времени, включая то, искривлено ли оно и каким образом, и будет ли само пространство-время развиваться и как именно.

Также существует два критерия, которые обычно применяются для описания нашей Вселенной и которые полностью подтверждаются крупномасштабными наблюдениями – изотропия и однородность.

Изотропия говорит нам, что Вселенная одинакова во всех направлениях: куда бы мы ни посмотрели в космических масштабах, ни одно "направление" особенно не отличается от другого.
Однородность говорит нам, что Вселенная одинакова во всех местах: одинаковые плотность, температура и скорость расширения существуют с точностью выше 99,99% в самых крупных масштабах.

То есть наша Вселенная в больших космических масштабах действительно одновременно изотропна и однородна.

Пространство нельзя измерить

Уравнения, управляющие эволюцией Вселенной, известны как уравнения Фридмана. Ткань пространства-времени, если она равномерно заполнена одним или несколькими типами материи и/или энергий, должна расширяться или сжиматься в соответствии с этими уравнениями. Но что на самом деле означают "расширение" или "сжатие", когда речь идет о самом пространстве?

Пространство само по себе не является чем-то, что можно измерить напрямую. Мы не можем выйти из Вселенной и посмотреть на него. Вместо этого можно наблюдать за влиянием пространства на материю, антиматерию и свет .

Если речь идет о расширении Вселенной, то самая простая величина, которую можно наблюдать и измерить в плане расширения космоса – это плотность. Если Вселенная не пустая, а заполнена "чем-то", то по мере расширения объем пространства, которое занимает это "что-то", будет увеличиваться.

Материя на самом простом уровне — это фиксированное количество массивных объектов, которые находятся в пространстве. По мере расширения Вселенной общее количество объектов остается прежним, но общее количество пространства, в котором они могут существовать, увеличивается. Для материи плотность — это просто масса, разделенная на объем, и поэтому, если масса остается прежней, пока объем растет, плотность должна уменьшиться. Но даже несмотря на то, что во Вселенной существует несколько типов материи, не все во Вселенной является материей. Есть еще излучение и энергия.

Скорость расширения Вселенной

По мере того как Вселенная расширяется и свет проходит через расширяющуюся Вселенную, объем не только увеличивается, а число частиц остается прежним, но каждый квант излучения испытывает сдвиг длины волны в сторону более красного конца электромагнитного спектра. Именно благодаря эффекту красного смещения впервые была обнаружена расширяющаяся Вселенная.

Наша Вселенная также обладает темной энергией, которая вообще не имеет формы частиц, а скорее присуща ткани самого пространства. Хотя мы не можем измерить темную энергию напрямую, есть способ сделать вывод о ее значении и свойствах. Для этого нужно наблюдать за тем, как свет с красным смещением от удаленных объектов развивается в зависимости от расстояния.

Если собрать все воедино, то возникает в основном последовательная картина. Вселенная сегодня расширяется со скоростью где-то примерно 70 км/с на мегапарсек, а это значит, что на каждый мегапарсек (примерно 3,26 млн световых лет) расстояния один объект отдаляется от другого со скоростью 70 км/с.

Из чего состоит Вселенная?

Сегодня Вселенная состоит из следующих форм энергии и материи:

примерно 0,008% излучения в виде фотонов или электромагнитного излучения;
примерно 0,1% нейтрино, которые сейчас ведут себя как материя, но вначале вели себя как излучение, когда их масса была очень мала по сравнению с количеством кинетической энергии, которой они обладали;
примерно 4,9% обычной материи, в которую входят атомы, плазма, черные дыры и все, что когда-то состояло из протонов, нейтронов или электронов;
примерно 27% темной материи, природа которой до сих пор неизвестна, но которая должна быть массивной и скапливаться, как материя;
примерно 68% темной энергии, которая ведет себя так, как будто это энергия, присущая самому космосу, и она ускоряет расширение Вселенной.

Вселенная по-разному реагирует на разные формы энергии и материи. Если рассматривать Вселенную, наполненную излучением, поскольку длина волны удлиняется по мере расширения Вселенной, аналогия с "растяжением" пространства работает очень хорошо.

Вселенная растягивается или создает новый космос?

С другой стороны, когда что-то растягивается обычным способом, оно становится тоньше. Это хороший подход для описания поведения света и других форм излучения, но не для темной энергии или любой формы энергии, присущей ткани самого пространства. По мере расширения Вселенной объем темной энергии увеличивается, а плотность энергии не меняется, и, следовательно, общая энергия увеличивается. С точки зрения темной энергии создается впечатление, что в результате расширения Вселенной создается новое пространство.

Все излучение в нашей Вселенной, включая каждую гравитационную волну, ведет себя так, как будто пространство растягивается, хотя само пространство не становится тоньше. Темная энергия внутри Вселенной ведет себя так, как будто создается новое пространство, хотя мы ничего не можем измерить, чтобы обнаружить это.

На самом деле общая теория относительности может только сказать нам, как пространство ведет себя, развивается и влияет на энергию внутри него. Она не может сказать нам, чем на самом деле является пространство в философском смысле.

Нужно признать, что пространство не растягивается и не создается, а просто существует так, как его описывает теория Эйнштейна.

Как уже писал Фокус, у Вселенной странное чувство юмора, ведь время не может остановиться, только закончиться. Имеющиеся теории говорят нам о том, что "стрела времени" всегда движется вперед, но в некоторых случаях допускаются вольности.