[Перевод] Спросите Итана №80: может ли пространство расширяться быстрее скорости света?
И если да, то как с этим справляются теории относительности Эйнштейна, специальная и общая?
Если вам кажется, что всё под контролем — вы едете слишком медленно.
— Марио Андретти
Конец недели означает, что я снова выбираю вопрос из присланных вами, и на этой неделе нам повезло получить вопрос, напрягающий разум и искривляющий пространство и время. Читатель хочет узнать побольше о величайшей загадке расширяющейся Вселенной, относительности и тёмной энергии:
Хорошо известно, что вселенная расширяется с ускорением. Возможно ли, чтобы скорость расширения превысила скорость света? И если да, не будет ли это противоречить теориям Эйнштейна?
Начнём с того, что такое скорость света.
Неважно, где вы находитесь и кто вы, существует жёсткое ограничение на ваше движение в пространстве. Можно было бы решить, что чем больше энергии тратишь, тем быстрее можно двигаться… И хотя это так и есть, но это может продолжаться лишь до определённого предела. Если вы двигаетесь со скоростью несколько метров в секунду, или несколько километров в час, или даже несколько километров в секунду, как двигается Земля по орбите Солнца, вы даже не заметите ограничений на движение с бесконечной скоростью.
Но они всё равно существуют. Чем быстрее вы двигаетесь — чем больше ваша скорость движения через пространство — тем медленнее вы двигаетесь сквозь время. Представьте, что вы находитесь в покое на поверхности Земли, а ваш друг взлетел с места вашего нахождения и на реактивном самолёте отправился в кругосветное путешествие. До того, как вы расстались, вы синхронизировали часы с точностью до микросекунд.
Если ваши часы достаточно чувствительные, то когда ваш друг вернётся к вам, вы обнаружите, что часы немного рассинхронизировались. Ваши часы будут показывать время чуть позже, чем часы друга — отличие будет примерно в десятые части микросекунд, но всё-таки будет.
И чем быстрее двигаться, тем больше будет разница во времени.
Часы космонавтов на МКС, облетающих вокруг Земли за 90 минут, отстают на несколько секунд после возвращения. Эта разница становится заметной даже при помощи обычных часов.
Странность в том, что не только часы идут по-разному на разных скоростях, но и время двигается с разной скоростью.
Факт замедления часов на высоких скоростях будет следствием того, что время и пространство связаны, и что быстрое движение через пространство означает замедление времени. Связь между пространством и временем определяется скоростью света. Чем ближе вы к скорости света, тем больше течение времени асимптотически приближается к нулю.
Поэтому мюон, нестабильная частица со средним временем жизни в пару микросекунд, может быть создан в верхней части атмосферы на скорости, близкой к скорости света, и дойти до поверхности Земли. Это путь в 100 км, и если бы он двигался по нему со скоростью 300 000 км/с в течение 2,2 микросекунд, он бы распался, пройдя лишь 0,6% всего пути. То, что мюон успевает достичь поверхности — и если вы вытянете руку, то через неё каждую секунду будет пролетать примерно по одному мюону — происходит благодаря этому эффекту относительности.
А что же до расширения Вселенной? Вы знаете, что если вы выберете какую-либо галактику, то в среднем получится, что чем дальше она от вас, тем быстрее она будет отдаляться. Галактики в кластере Девы, находящиеся на расстоянии 50–60 миллионов световых лет, двигаются от нас со скоростью 1200 км/с. Галактики в скоплении Волос Вероники, расположенные на расстоянии 330 миллионов световых лет, двигаются от нас со скоростью 7000 км/с.
Чем дальше мы заглядываем, тем быстрее эти галактики и кластеры удаляются. Конечно, встречаются отклонения на несколько сотен или тысяч км/с из-за местных перемещений и эффектов гравитационного притяжения, но на крупных масштабах — и на больших расстояниях — можно видеть, что чем дальше они от вас, тем быстрее они будут отдаляться. Впервые это наблюдение сделал Эдвин Хаббл в 1920-х годах, и оно привело к закону Хаббла, или закону, определяющему расширение Вселенной. С наилучшими современными средствами наблюдения мы можем подтвердить правильность этого закона на миллиарды световых лет во всех направлениях.
«Секунду»,- я могу практически слышать ваши возражения. «А что насчёт скорости света?».
Действительно, что насчёт скорости света? Конечно же, этот невидимый барьер — препятствующий всем видам материи двигаться быстрее определённого ограничения — вступит в права и помешает галактикам с какого-то момента, не так ли? Время асимптотически стремится к нулю и перестанет двигаться, если вы будете перемещаться с такой скоростью, при этом ему нельзя двигаться обратно, ведь тогда галактики бы двигались назад во времени, не так ли?
Но мы утаили один из кусочков головоломки. Скорость света в качестве ограничения применяется лишь к объектам, двигающимся друг относительно друга в одном и том же месте пространства.
Когда ваш друг улетел на самолёте и вернулся с отстающими от ваших часами, это оттого, что вы встретились на том же месте. Когда космонавты возвращаются на Землю, и их путешествие длилось меньше, чем ваше, на несколько секунд, это оттого, что вы оказались в одном месте. Даже мюон, двигаясь с околосветовой скоростью, двигался относительно вашей системы отсчёта на Земле, и потому вы наблюдали эти эффекты.
Но в дальних частях Вселенной эти галактики вообще не движутся. Это пространство между ними расширяется, а отдельные галактики находятся в покое относительно пространства.
Вы можете возразить, «откуда вы это знаете?»
Можно провести тест: посмотреть на удалённые галактики, измерить их красное смещение и расстояние до них. Так можно проверить, что двигаются они с невероятными скоростями против всех предсказаний теории относительности.
ТО бывает двух видов: специальная ТО, работающая в плоском статичном пространстве, где имеют значение только движения объектов через пространство и время. И общая ТО, где само пространство изменяется, и/или сжимается, и где материя и энергия определяют кривизну пространства-времени, а СТО существует поверх этой системы.
И вот как различаются два предсказания:
Сильно, не так ли? Оказывается, что наши наблюдения говорят в пользу ОТО, и исключают вариант статичного пространства.
И что же это значит в итоге? Что это означает для нашей расширяющейся Вселенной, даже если мы добавим сюда тёмную энергию?
Это значит, что с течением времени свет, испущенный далёкими галактиками, очень сильно сместился в красный спектр, что и привело к появлению космологического красного смещения.
Это значит, что существуют настолько удалённые части Вселенной, что свет, испущенный оттуда, никогда до нас не доберётся. В данный момент это все части, находящиеся на расстоянии 46,1 миллиарда световых лет от нас.
И это значит, что любой объект на расстоянии больше 4,5 гигапарсек (14–15 миллиардов световых лет) останется недосягаемым для нас и для всего, что мы делаем, отныне и навсегда. Все эти объекты, составляющие 97% объёма наблюдаемой Вселенной, находятся вне нашей досягаемости. Даже испущенный прямо сейчас фотон никогда не доберётся до них.
Так что, да, все объекты, подхваченные расширением Вселенной, с ускорением летят от нас, всё быстрее и быстрее. Пройдёт достаточно времени, и все они будут удаляться от нас быстрее скорости света, и станут недостижимыми для нас в принципе, неважно, насколько быструю ракету мы построим или сколько сигналов отправим со скоростью света.
И что мы можем с этим поделать?
Взять себя в руки и начать межгалактические путешествия так быстро, как только сможем, пока не поздно. Сегодняшняя Вселенная исчезает из-за расширения пространства. И хотя ни один объект не двигается сквозь ткань пространства-времени быстрее скорости света, не существует ограничений по расширению ткани пространства. Пространство делает, что хочет.
Так что спасибо за прекрасный вопрос, и, если ответ покажется вам загадочным, вдохновитесь следующим: Вселенная исчезнет из вида человечества, если только мы не сможем что-нибудь сделать с этим, включая полёты к удалённым галактикам, или — если найдётся способ — приближение удалённых галактик к нам. Присылайте мне ваши вопросы и предложения для следующих статей.
