Czytaj dalej

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.

Ciut dłużej. 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.

Autor
Adam Adamczyk

Adam Adamczyk

Naukowy totalitarysta. Jeśli nie chcesz aby wpadli do Ciebie naukowi bojówkarze, zostaw komentarz.