Czy rozszerzanie wszechświata może przekroczyć prędkość światła?

Czytając o kosmologii i dumając nad procesem ekspansji wszechświata, prędzej czy później dochodzimy do pewnego wniosku budzącego uzasadnione wątpliwości. Czy galaktyki mogą oddalać się od siebie z prędkością większą od prędkości światła? A jeśli tak, to czy nie narusza to podstawowych zasad fizyki?

Krótko. Zgodnie ze standardowym modelem rozszerzania się wszechświata, im dalej położone są od siebie galaktyki, tym szybciej się oddalają – więc rzeczywiście, przy odpowiednio wielkiej odległości wzajemna ucieczka może przekroczyć prędkość 300 tys. km/s. Nie łamie to jednak reguł zawartych w szczególnej teorii względności, bowiem ekspansja wynika nie tyle z poruszania się obiektów, co z puchnięcia samej przestrzeni pomiędzy nimi.

Jeżeli czytałeś jakąkolwiek książkę lub choćby artykuł podejmujący wątek wielkiego wybuchu, prawdopodobnie przeszło Ci przez myśl tytułowe pytanie. Jednak na wszelki wypadek zróbmy krok wstecz i przypomnijmy sobie źródło tej wątpliwości. W tym celu musimy sięgnąć do podstaw, czyli przełomowych obserwacji Edwina Hubble’a i płynących zeń, równie doniosłych wniosków.

Niedoszły prawnik, analizując światło docierające do Ziemi z wielu galaktyk, dostrzegł rzecz niezwykłą. O ile stosunkowo bliska nam galaktyka Andromedy wykazywała przesunięcie ku fioletowi, o tyle wszystkie dalsze obiekty migały do nas wdzięcznie światłem przesuniętym ku czerwieni. Dla astronoma była to znacząca informacja sugerująca, iż zdecydowana większość galaktyk zdaje się od nas… uciekać. Co więcej, Hubble zauważył jasną korelację między odległością źródła światła, a jego przesunięciem ku czerwieni. Innymi słowy, bardzo oddalony obiekt musiał cechować się większą prędkością ucieczki od obiektu bliższego. Konkluzję tę, noszącą obecnie miano prawa Hubble’a, Amerykanin ogłosił w 1929 roku, kompletnie przemeblowując krajobraz fizyki i astronomii.

Nie ziewaj, już dopływamy do brzegu. Prawo Hubble’a uzależniło prędkość oddalania galaktyk od dzielącego ich dystansu, co szybko nasunęło uczonym pomysł wielkiego wybuchu i – trwającej do chwili obecnej – ekspansji całego wszechświata. W miejscu nudnego modelu stacjonarnego, pojawił się obraz przestrzeni pęczniejącej niczym powierzchnia nadmuchiwanego balonu (z tą drobną różnicą, że przestrzeń jest trójwymiarowa). Zgodnie z obecną wiedzą, wszechświat rozrasta się z prędkością około 70 km/s na megaparsek, tj. na każde 3,26 miliona lat świetlnych (uczulam jednak, że co kilka lat obserwacje doprecyzowują tę wartość, co przy dużych odległościach robi sporą różnicę). Oznacza to tyle, że punkty, które dzieli dystans miliona lat świetlnych powinny odsuwać się od siebie z prędkością około 20 km/s, a te oddalone o 100 milionów lat świetlnych, uciekają z prędkością ponad 2 tys. km/s. 

Prędkość rozszerzania się wszechświata

I tu docieramy do dania głównego. Co z galaktykami, które dzieli odległość około 4300 Mpc, czy jak kto woli 13,8 miliarda lat świetlnych? Czy w tym przypadku wzajemna ucieczka osiąga granicę prędkości 300 tys. km/s i ostatecznie nawet ją przekracza?

W ramach szczególnej teorii względności Albert Einstein zawarł postulat, zgodnie z którym żadne ciało obdarzone masą nie może dorównać prędkości światła w próżni. Choćbyśmy użyli całej energii wszechświata, nawet pojedyncza cząstka nigdy nie uzyska takiego wyniku. Jednak w przypadku naszej kosmologicznej zagadki, zasada ta nie odgrywa żadnej roli. Odgrywałaby tylko wtedy, gdybyśmy potraktowali obserwowane zjawiska jako wynik eksplozji – dosłownego wybuchu – zaś galaktyki jako rozpędzone jego energią pociski. Taka wizja nie ma jednak nic wspólnego z fizyczną rzeczywistością. Modele kosmologiczne mówią o ekspansji samej przestrzeni, która rozciąga się niczym gumowa powierzchnia balonu. To bardzo prymitywna analogia, ale zwraca uwagę na rdzeń tego mechanizmu. Jeżeli namalujemy na powierzchni balonu kropki symbolizujące galaktyki, będą one całkowicie statyczne. Proces nadmuchiwania sprawi jednak, że nawet nieruchome kropki mogą się od siebie oddalać – tylko w związku z rozsuwaniem gumowej przestrzeni.

Wiemy więc, że teoria jako taka nie stoi nam na drodze. Czy zatem w praktyce rzeczywiście istnieją galaktyki, uciekające np. od Drogi Mlecznej z prędkością nadświetlną? Jak najbardziej! Wystarczy przejrzeć galerię rekordowo odległych kwazarów, zidentyfikowanych przez astronomów w ostatnich latach. Światło takich obiektów jak MACS0647-JD czy GN-z11 wyemitowane zostało grubo ponad 13 miliardów lat temu. W momencie wypuszczenia tego światła, rozrost przestrzeni między Drogą Mleczną a GN-z11, powodował wzajemną ucieczkę z prędkością bliską prędkości światła.

Teraz proszę Cię o chwilę skupienia nad powyższym akapitem. Nie napisałem, że wspomniane kwazary leżą ponad 13 miliardów lat świetlnych od Ziemi, lecz że taki dystans dzielił nas w momencie wypuszczenia przezeń światła, które teraz do nas dociera. Wszechświat jednak nadal rośnie, więc w czasie tych miliardów lat GN-z11 odsuwała się od nas dalej i dalej, z coraz większą prędkością – jak Hubble przykazał. Oznacza to dwie rzeczy. Po pierwsze, astronomowie obserwują archiwalny i mocno nieaktualny obraz dalekich galaktyk. Po drugie, galaktyki te w rzeczywistości muszą leżeć znacznie dalej niż 13-14 miliardów lat świetlnych stąd. Właśnie dlatego przyjmuje się, że promień obserwowalnej części wszechświata, wbrew intuicji, wynosi aż 46 miliardów lat świetlnych, choć historia wszechświata liczy sobie “zaledwie” 13,82 miliardów lat.

W pewnym sensie widzimy tylko widmo GN-z11, podczas gdy galaktyka leży o wiele dalej i ucieka przed nami z prędkością sięgającą niemal trzykrotności prędkości światła w próżni. Powtórzę jednak raz jeszcze: wynika to nie z ruchu samych obiektów, a z rozrostu przestrzeni pomiędzy nimi.

Który zbiornik wodny jest najbardziej zasolony? Ogórkowe pytania (III): Czy różne atomy mają podobną wielkość? Ogórkowe pytania (IV): Co łączy masę i energię?