Η Επιστήμη εξηγεί: Πώς μπορεί η διάμετρος του Σύμπαντος να υπερβαίνει την ηλικία του;

Το μέγεθος του Σύμπαντος

Η ταχύτητα του φωτός είναι μια από τις πιο σημαντικές και θεμελιώδεις ιδιότητες του Σύμπαντος. Χρησιμοποιείται για τη μέτρηση αποστάσεων, για διαπλανητικές επικοινωνίες και σε διάφορους μαθηματικούς υπολογισμούς. Και αυτό είναι μόνο η αρχή.

 

Η Ιστορία του Σύμπαντος [Infographic]

 Κάντε κλικ για να δείτε ολόκληρη την εικόνα

Η ταχύτητα με την οποία το φως ταξιδεύει μέσα από στο κενό - 299.792 χιλιόμετρα (186.282 μίλια) το δευτερόλεπτο - είναι στατική και αμετάβλητη. Εάν αφαιρέσετε αυτή τη σταθερά, τα θεμέλια της σύγχρονης φυσικής θρυμματίζονται λόγω πολλών αιτιών, και συμπερασματικά προκύπτει ένας γενικός κανόνας ο οποίος μπορεί να συνοψιστεί με αυτόν τον όρο: Τίποτα στο σύμπαν δεν μπορεί να ταξιδέψει ταχύτερα από την ταχύτητα του φωτός.

Όπως μπορείτε να φανταστείτε, προκύπτει κάποια σύγχυση όταν κάποιος θεωρεί το γεγονός ότι το Σύμπαν δεν έχει διάμετρο 13,8 δισεκατομμύρια έτη φωτός - ένας αριθμός που αντιστοιχεί στην ηλικία του σύμπαντος. Σύμφωνα με τις τρέχουσες εκτιμήσεις, ο αριθμός αυτός είναι στην πραγματικότητα αρκετά μεγαλύτερος, με εκτιμώμενη διάμετρο περίπου 93 δισεκατομμυρίων ετών φωτός. Και αυτό ακριβώς είναι κάτι που μπορούμε να δούμε. Αυτό που δεν μπορούμε να δούμε μπορεί να συνεχίζεται για …πάντα.

Έτσι, πώς μπορεί το σύμπαν να εκτείνεται στα 93 δισεκατομμύρια έτη φωτός, αν είναι μόλις 13,8 δισεκατομμύρια έτη, και τίποτα δεν μπορεί να ταξιδέψει ταχύτερα από το φως ;

Κατανοώντας την μετατόπιση προς το ερυθρό (redshift)

Προτού καταλάβετε γιατί το μέγεθος του σύμπαντος είναι τόσο μεγαλύτερο από την ηλικία του, είναι σημαντικό να καταλάβετε πώς λειτουργεί το φως.

Ο Ισαάκ Νευτων ήταν αναμφισβήτητα ένα από τα μεγαλύτερα μυαλά που έζησε ποτέ πάνω στον πλανήτη μας. Εκτός από την επινόηση του απειροστικού λογισμού, ήταν ο πρώτος επιστήμονας που κατανόησε πραγματικά την ουσία του φωτός και του τι συμβαίνει όταν διαιρείται στα επι μέρους συστατικά μέρη του.

Η έρευνά του αποκάλυψε ότι το μαύρο είναι η απουσία χρώματος, ενώ το λευκό φως - όπως αυτό που προέρχεται από τον Ήλιο και άλλα αστέρια - είναι ένας συνδυασμός κάθε χρώματος. Όταν βλέπουμε το φως ενός αντικειμένου μέσα από ένα πρίσμα, μπορούμε να δούμε τα αντίστοιχα στοιχεία που αντιπροσωπεύει το φως, τα οποία στη συνέχεια μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να καθορίσουν τη σύνθεση, τη θερμοκρασία και ακόμα την εξέλιξη του αντικειμένου αυτού.

 

Εικόνα: Lucas V. Barbosa / Wikimedia Commons

Με περισσότερους από έναν τρόπους, το έργο του Νεύτωνα έφερε επανάσταση στη φυσική και άνοιξε το δρόμο για όλους τους μεταγενέστερους μεγάλους επιστήμονες , όπως τον Νίλς Μπόρ (Niels Bohr), τον Μάξ Πλάνκ (Max Planck) και, φυσικά, τον Άλμπερτ Αϊνστάιν (Albert Einstein). Για τους σκοπούς αυτής της συζήτησης, ωστόσο, ο πιο σχετικός επιστήμονας που ¨’εχτισε¨ το έργο του Νεύτωνα ακούει στο όνομα: Κρίστιαν Ντόπλερ (Christian Doppler).

Ο Ντόπλερ γεννήθηκε εκατοντάδες χρόνια μετά το θάνατο του Νεύτωνα, και αν δεν είστε εξοικειωμένοι με το έργο του, ανακάλυψε κάτι που σήμερα ονομάζεται φαινόμενο Ντόπλερ. Αυτή η διαδικασία εξηγεί γιατί ορισμένη ποσότητα φωτός από τις κοσμικές πηγές τείνει να βρίσκεται κοντά στην ερυθρή περιοχή του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος (ΗΜ φάσμα) ενώ κάποια άλλη ποσότητα από αυτό το φως είναι πιο κοντά στη μπλε περιοχή του ΗΜ φάσματος.

Με απλά λόγια, το φαινόμενο Ντόπλερ μας δηλώνει πως το μήκος κύματος του φωτός μετατοπίζεται με βάση την κατεύθυνση στην οποία κινείται η πηγή, δηλαδή εάν κάτι μας πλησιάζει ή απομακρύνεται από εμάς. Συγκεκριμένα, τα φωτεινά κύματα θα ¨τεντωθούν¨ εάν η πηγή απομακρύνεται από τον παρατηρητή, και έτσι εμφανίζονται με ερυθρό χρώμα (το μεγαλύτερο μήκος κύματος). Αντίθετα, τα φωτεινά κύματα θα συμπιεστούν αν το αντικείμενο κατευθύνεται προς τον παρατηρητή, έτσι εμφανίζονται με μπλε χρώμα (το μικρότερο μήκος κύματος).

Γραμμές απορρόφησης σε φάσματα απομακρυσμένων γαλαξιών. Εικόνα: Chano Birkelind, Ινστιτούτο Niels Bohr

Κατά τη διάρκεια των επιστημονικών παρατηρήσεων, παρουσιάστηκε ένας …¨παίκτης¨ ο οποίος άλλαξε ριζικά το ¨παιχνίδι¨. Τελικά, σχεδόν όλοι οι γαλαξίες έμοιαζαν να μετατοπίζονται προς ένα μεγαλύτερο μήκος κύματος, πράγμα που σημαίνει ότι φαίνονταν με ερυθρό χρώμα, σαν να απομακρύνονταν από εμάς. Το εκπληκτικότερο όμως, δεν ήταν μόνο ότι τα περισσότερα αντικείμενα απομακρύνονταν από εμάς, αλλά ότι αυτή η μετατόπιση προς το ερυθρό (redshift) αυξανόταν, πράγμα που σημαίνει ότι τα αντικείμενα απομακρύνονται από εμάς όλο και με μεγαλύτερη  ταχύτητα.

Αυτό οδήγησε στην ανακάλυψη ότι το σύμπαν δεν είναι στατικό, όπως μερικοί πίστευαν ότι είναι - στην πραγματικότητα…Διαστέλλεται!

Η διαστολή του Σύμπαντος

Εδώ είναι όπου τα πράγματα ¨κολλάνε¨ λιγάκι. Οι παρατηρήσεις μας σχετικά με τη μετατόπιση προς το Ερυθρό αποκάλυψαν ότι τα αντικείμενα που βρίσκονται τρείς φορές πιο απομακρυσμένα κινούνται τρεις φορές πιο γρήγορα σε σχέση με τους κοντινούς σε εμάς γαλαξίες. Όσο μακρύτερα κοιτάζουμε στο διάστημα, τόσο γρηγορότερα κινούνται οι γαλαξίες - στην πραγματικότητα κινούνται τόσο γρήγορα σε αυτές τις τεράστιες αποστάσεις που υπερβαίνουν εύκολα την ταχύτητα του φωτός. Ωστόσο, όπως αναφέρθηκε προηγουμένως, η ταχύτητα του φωτός είναι το καθολικό όριο ταχύτητας. Πώς μπορεί να συμβαίνει κάτι τέτοιο;

Πρώτον, σημειώστε ότι ενώ υπάρχει ένα όριο σε αυτό που μπορούμε να δούμε, το πραγματικό σύμπαν εκτείνεται πολύ μακρύτερα από ό, τι μπορούμε να κατανοήσουμε. Τα πάντα εντός αυτού του ορίου ονομάζονται "παρατηρούμενο σύμπαν" και περιλαμβάνουν:

. 10 εκατομμύρια Υπερσμήνη (superclusters)

. 25 δισεκατομμύρια ομάδες γαλαξιών

. 350 δισεκατομμύρια μεγάλους γαλαξίες

. 7 τρισεκατομμύρια γαλαξίες νάνους

. 30 δισεκατομμύρια τρισεκατομμύρια (3 × 10²²) αστέρια

Αν όλα αυτά ήταν τοποθετημένα σε 13,7 δισεκατομμύρια έτη φωτός χωροχρόνου, το σύμπαν θα φαινόταν αρκετά γεμάτο.

 

Εικόνα: Η Κλίμακα του Σύμπαντος

Το πρώτο πρόβλημα με την υπόθεση ότι το μέγεθος του σύμπαντος πρέπει να είναι ίσο με την ηλικία του σε έτη με βάση την απόσταση την οποία καλύπτει η ταχύτητα του φωτός , εγείρεται όταν παρατηρούμε τις πρώτες στιγμές που ακολούθησαν την Μεγάλη Έκρηξη (The Big Bang).

Όταν το σύμπαν δημιουργήθηκε, πριν από περίπου 13,75 δισεκατομμύρια χρόνια, ο ίδιος ο χωροχρόνος άρχισε να διαστέλλεται με ταχύτητες μεγαλύτερες από την ταχύτητα του φωτός. Αυτή η περίοδος, που ονομάζεται Πληθωρισμός (inflation), είναι στοιχείο καίριας σημασίας γιατί εξηγεί περαιτέρω πολύ περισσότερα στοιχεία από ότι εξηγεί το ίδιο το μέγεθος του σύμπαντος. Καλύπτει επίσης θέματα όπως η ομοιογενής φύση του διαστήματος σε μεγάλη κλίμακα, καθώς και τις συνθήκες εκείνες που υπήρχαν στο πρώιμο σύμπαν.

Βασικά, το σύμπαν μεταμορφώθηκε από μια άπειρη πυκνή και ζεστή κατάσταση σε μια τεράστια περιοχή γεμάτη με πρωτόνια και νετρόνια - σωματίδια που τελικά συγκεντρώθηκαν και σφυρηλατούσαν τα δομικά στοιχεία κάθε ύλης - μέσα σε λίγα λεπτά. Μετά το πέρας του αρχικού πληθωρισμού, η διαστολή του Σύμπαντος επιβραδύνθηκε. Τώρα, τα αντικείμενα ωθούνται μακρυά το ένα από το άλλο, από μια μυστηριώδη δύναμη που ονομάζεται σκοτεινή ενέργεια.

Γρηγορότερα από την ταχύτητα του φωτός

Μέσα από στοιχεία που δεν έχουν ακόμη εξακριβωθεί, αυτή η διαστολή φαίνεται να γίνεται ταχύτερα από την ταχύτητα του φωτός, αλλά αυτό δεν σημαίνει αυτό που πιθανώς πιστεύετε ότι κάνει.

 

Ταξιδεύοντας κοντά στην ταχύτητα του φωτός [Infographic]

Κάντε κλικ για να δείτε ολόκληρη την εικόνα

Φοβάμαι ότι η σύγχυση οφείλεται σε μια βασική παρερμηνεία της ίδιας της θεωρίας της σχετικότητας. Βλέπετε, η θεωρία αυτή δηλώνει ότι τα αντικείμενα δεν μπορούν να ταξιδεύουν γρηγορότερα από την ταχύτητα του φωτός μέσω του χωροχρόνου. Ωστόσο, δεν θέτει κανένα όριο στον ίδιο τον χωρόχρονο.

Έτσι, για να συνοψίσουμε, το μέγεθος του διαστήματος δεν έρχεται σε αντίθεση με τη βασική φυσική.

Ουσιαστικά, οι ίδιοι οι γαλαξίες (και οποιαδήποτε άλλα αντικείμενα στο διάστημα) δεν ¨σπάζουν¨ νόμους, διότι δεν ταξιδεύουν μέσα στο διάστημα πιο γρήγορα από το φως (τουλάχιστον όχι με την παραδοσιακή έννοια του όρου). Αντίθετα, κάθε τμήμα του χώρου επεκτείνεται και ¨τεντώνεται¨. Δεν είναι καν ότι οι άκρες του διαστήματος σπρώχνονται προς τα έξω, αλλά ο ίδιος ο χωροχρόνος - η περιοχή μεταξύ των γαλαξιών, των αστεριών, των πλανητών, εσένα και εμένα – διαρκώς ¨τεντώνεται¨.

Εν ολίγοις, ο χώρος και ο χρόνος επεκτείνονται και η πίεση μοιραία που δημιουργείται ωθεί την ύλη, η οποία στην πραγματικότητα δεν ταξιδεύει μέσα στο χωρόχρονο.

Εικόνα: Από τις επιστημονικές ομάδες της NASA και του WMAP

Μια ενδιαφέρουσα άποψη, δυστυχώς, είναι ότι η διαστολή έχει κάποιες δυσοίωνες επιπτώσεις στο μέλλον του σύμπαντος. Υποθέτοντας ότι η διαστολή συνεχίζεται επ 'αόριστον (και δεν επιβραδύνεται), ο ορίζοντας του ορατού σύμπαντος θα συρρικνωθεί σταδιακά έως ότου τα αντικείμενα απλώς θα είναι πολύ μακριά για το φως από έναν γαλαξία να φτάσει κάποτε σε έναν άλλο.

Για το θέμα αυτό, πολλά από αυτά τα αντικείμενα που βλέπουμε σήμερα ήταν αρχικά πολύ πιο κοντά. Χάρη στην διαστολή του Σύμπαντος, αυτά τα αντικείμενα έχουν μετατοπιστεί πάρα πολύ μακριά, και ορισμένοι γαλαξίες και άλλα αντικείμενα έχουν υποστεί μετατόπιση προς το ερυθρό τόσο πολύ που βρίσκονται στην σφαίρα της ανυπαρξίας (ή, ούτως ή άλλως, κατά την άποψή μας, εκτός του ορατού μας ορίζοντα). Οι πιο απομακρυσμένοι γαλαξίες είναι μεταξύ των παλαιότερων αντικειμένων του σύμπαντος, έχοντας σχηματιστεί όταν το σύμπαν είχε ηλικία μόλις μερικά εκατομμύρια χρόνια, και είναι πιθανό ότι η πλειοψηφία τους δεν υπάρχει πια, ή βρίσκονται σήμερα σε ένα τελείως διαφορετικό κομμάτι του Σύμπαντος.

Πρόσθετες αναφορές από τον Jaime Trosper.

Σχετικές αναφορές: MSU, Einstein Online

Περαιτέρω για την Θεωρία της σχετικότητας:

 https://el.wikipedia.org/wiki/%CE%A3%CF%87%CE%B5%CF%84%CE%B9%CE%BA%CF%8C%CF%84%CE%B7%CF%84%CE%B1

http://www.christianity-science.gr/files/TimeDilation.htm

Πηγή

Πηγές υπάρχουν επίσης και στις παραπομπές του κειμένου (οι λέξεις με τα μπλε γράμματα)

         

Απόδοση στα Ελληνικά : Δημήτρης Γκίκας.

Για διορθώσεις μετάφρασης ως προς το πρότυπο κείμενο, απορίες, ή συμπληρώματα, γράψτε μας: gikasd63@hotmail.com

Εάν, κατά την άποψή σας, υπάρχουν επιστημονικά λάθη στο πρότυπο κείμενο η ομάδα μας δεν μπορεί να παρέμβει και να το αλλάξει χωρίς την συναίνεση του αρθρογράφου. Για οποιαδήποτε τέτοια αλλαγή επικοινωνήστε με την πηγή του άρθρου.

Από την ομάδα : @Aratosastronomy