Co jest na Krawędzi Wszechświata?

Rutynową emocją w 2019 roku jest pilne życzenie, cztery lub pięć razy w ciągu dnia, aby zostać wystrzelonym nie po prostu w kosmos, ale na samą krawędź wszechświata, tak daleko, jak to tylko możliwe od gorączkowego snu o złej pogodzie, rozwalonych pociągach i potencjalnie rakowych zmianach na udach, które stanowią życie na Ziemi. Ale co czekałoby na Ciebie, na kosmologicznej granicy? Czy to w ogóle jest granica, czy też mamy tu do czynienia raczej z czymś w rodzaju niewyobrażalnie rozległego sufitu? Czy jest tam w ogóle jakaś granica/sufit? W tym tygodniu w programie Giz Asks rozmawialiśmy z kilkoma fizykami zajmującymi się kosmologią, aby się tego dowiedzieć.

Sean Carroll

Profesor badawczy, fizyka, Caltech, którego badania koncentrują się między innymi na mechanice kwantowej, grawitacji, kosmologii, mechanice statystycznej i podstawach fizyki

Nie ma krawędzi wszechświata, o ile wiemy. Jest krawędź obserwowalnego wszechświata – możemy zobaczyć tylko tak daleko. To dlatego, że światło podróżuje ze skończoną prędkością (jeden rok świetlny na rok), więc patrząc na odległe rzeczy, patrzymy również wstecz w czasie. W końcu widzimy to, co działo się prawie 14 miliardów lat temu, czyli promieniowanie pozostałe po Wielkim Wybuchu. Jest to Kosmiczne Mikrofalowe Tło, które otacza nas ze wszystkich stron. Ale tak naprawdę nie jest to fizyczna „krawędź” w żadnym użytecznym sensie.

Ponieważ możemy widzieć tylko tak daleko, nie jesteśmy pewni, jak wyglądają rzeczy poza naszym obserwowalnym wszechświatem. Wszechświat, który widzimy jest dość jednolity w dużych skalach i być może trwa to dosłownie wiecznie. Alternatywnie, wszechświat może być zawinięty jak (trójwymiarowa wersja) sfera lub torus. Gdyby to była prawda, wszechświat byłby skończony w całkowitym rozmiarze, ale nadal nie miałby krawędzi, tak jak koło nie ma początku ani końca.

Możliwe jest również, że wszechświat nie jest jednolity poza tym, co możemy zobaczyć, a warunki są szalenie różne z miejsca na miejsce. Taką możliwością jest kosmologiczny multiwersum. Nie wiemy, czy istnieje multiwersum w tym sensie, ale ponieważ tak naprawdę nie możemy zobaczyć tego czy tamtego, mądrze jest mieć otwarty umysł.

Jo Dunkley

Profesor, Fizyka i Nauki Astrofizyczne, Uniwersytet Princeton, którego badania dotyczą kosmologii i studiowania początków i ewolucji Wszechświata

Więcej tego samego!

Okay, więc tak naprawdę nie sądzimy, że istnieje krawędź wszechświata. Myślimy, że albo ciągnie się on nieskończenie daleko we wszystkich kierunkach, albo może jest zawinięty na siebie tak, że nie jest nieskończenie wielki, ale wciąż nie ma krawędzi. Powierzchnia pączka jest właśnie taka: nie ma krawędzi. Możliwe, że cały wszechświat też taki jest (ale w trzech wymiarach – powierzchnia pączka jest tylko dwuwymiarowa). Oznacza to, że mógłbyś wyruszyć w dowolnym kierunku w kosmos na statku rakietowym, a jeśli podróżowałbyś wystarczająco długo, wróciłbyś do miejsca, z którego wyruszyłeś. No edges.

Ale istnieje również rzecz, którą nazywamy obserwowalnym wszechświatem, który jest częścią przestrzeni, którą faktycznie możemy zobaczyć. Jego krawędź to miejsce, poza którym światło nie zdążyło do nas dotrzeć od początku istnienia wszechświata. To tylko krawędź tego, co możemy zobaczyć, a poza nią jest prawdopodobnie więcej tych samych rzeczy, które widzimy wokół nas: supergromady galaktyk, a każda ogromna galaktyka zawiera miliardy gwiazd i planet.

Jessie Shelton

Asystentka, fizyka i astronomia, Uniwersytet Illinois Urbana-Champaign, której badania koncentrują się na astrofizyce i kosmologii

To zależy od tego, co rozumiesz przez krawędź wszechświata. Ponieważ prędkość światła jest skończona, patrząc coraz dalej w przestrzeń, patrzymy coraz dalej w przeszłość – nawet gdy patrzymy na galaktykę obok, Andromedę, widzimy nie to, co dzieje się teraz, ale to, co działo się dwa i pół miliona lat temu, gdy gwiazdy Andromedy emitowały światło, które nasze teleskopy wykrywają dopiero teraz. Najstarsze światło, jakie możemy zobaczyć, pochodzi z najdalszych miejsc, więc w pewnym sensie krawędź wszechświata jest tym, co możemy zobaczyć w najdawniejszym świetle, które do nas dociera. W naszym wszechświecie jest to kosmiczne mikrofalowe tło – słaba, utrzymująca się poświata Wielkiego Wybuchu, oznaczająca moment, w którym wszechświat ochłodził się na tyle, że mogły uformować się atomy. Nazywamy to powierzchnią ostatniego rozpraszania, ponieważ wyznacza ona miejsce, w którym fotony przestały krążyć między elektronami w gorącej, zjonizowanej plazmie i zaczęły rozchodzić się przez przezroczystą przestrzeń, aż do nas na Ziemi, na odległość miliardów lat świetlnych. Można więc powiedzieć, że krawędź wszechświata to powierzchnia ostatniego rozproszenia.

Co znajduje się teraz na krawędzi wszechświata? Cóż, nie wiemy – nie możemy, musielibyśmy czekać, aż światło emitowane tam teraz dotrze tutaj wiele, wiele miliardów lat w przyszłości, a ponieważ wszechświat rozszerza się coraz szybciej, prawdopodobnie nie będzie w stanie dotrzeć tutaj w ogóle – ale możemy zgadywać. W największych skalach, nasz wszechświat wygląda prawie tak samo w każdym kierunku, w którym patrzymy. Istnieje więc prawdopodobieństwo, że gdybyś znalazł się dziś na krańcu naszego obserwowalnego wszechświata, zobaczyłbyś wszechświat wyglądający mniej więcej tak samo jak nasz – galaktyki, duże i małe, we wszystkich kierunkach. Tak więc bardzo dobrym przypuszczeniem dotyczącym tego, co jest teraz na skraju wszechświata, jest po prostu więcej wszechświata: więcej galaktyk, więcej planet, może nawet więcej żywych istot zadających to samo pytanie.

Michael Troxel

Assistant Professor, Physic, Duke University, którego badania koncentrują się na obserwacyjnej i teoretycznej kosmologii

Mimo że Wszechświat prawdopodobnie ma nieskończone rozmiary, w rzeczywistości istnieje więcej niż jedna praktyczna „krawędź”.

Sądzimy, że Wszechświat jest w rzeczywistości nieskończony – nie ma krawędzi. Jeśli Wszechświat jest 'płaski’ (jak kartka papieru), co sprawdziliśmy z dokładnością do jednego procenta, lub 'otwarty’ (jak siodło), to naprawdę jest nieskończony. Jeśli jest 'zamknięta’, co przypomina piłkę do koszykówki, to nie jest nieskończona. Jednakże, jeśli pójdziesz wystarczająco daleko w jednym kierunku, w końcu skończysz z powrotem tam, gdzie zacząłeś – pomyśl o poruszaniu się wzdłuż powierzchni piłki. Jak powiedział kiedyś pewien hobbit o imieniu Bilbo: „Droga wiecznie trwa i trwa/Od drzwi, gdzie się zaczęła” (w kółko…).

Wszechświat wciąż ma dla nas „krawędź”, choć tak naprawdę dwie. Wynika to z części Ogólnej teorii względności, która mówi, że wszystkie rzeczy (w tym światło) we Wszechświecie mają limit prędkości – około 670 milionów mil na godzinę – i ten limit prędkości jest wszędzie taki sam. Nasze pomiary mówią nam również, że Wszechświat rozszerza się w każdym kierunku, i to nie tylko rozszerza się, ale rozszerza się coraz szybciej i szybciej w czasie. Oznacza to, że gdy obserwujemy obiekt znajdujący się bardzo daleko od nas, światło z tego obiektu potrzebuje trochę czasu, aby do nas dotrzeć (odległość podzielona przez prędkość światła). Podstępną rzeczą jest to, że ponieważ przestrzeń rozszerza się, gdy światło podróżuje do nas, odległość, którą światło musi pokonać również zwiększa się w czasie w drodze do nas.

Więc pierwszą rzeczą, o którą można by zapytać, jest to, jaka jest najdalsza odległość, na jaką moglibyśmy obserwować światło z obiektu, gdyby było ono emitowane na samym początku Wszechświata (który ma około 13,7 miliarda lat). Okazuje się, że jest to odległość około 47 miliardów lat świetlnych (rok świetlny to około 63,241 razy odległość między Ziemią a Słońcem) i nazywana jest „horyzontem komiwojażera”. Można też zadać to pytanie nieco inaczej. Gdybyśmy wysłali wiadomość z prędkością światła, z jakiej najdalszej odległości ktoś z innej planety mógłby ją odebrać? Jest to tym bardziej interesujące, że tempo ekspansji Wszechświata przyspiesza w przyszłości (zamiast zwalniać w przeszłości).

Okazuje się, że nawet gdyby wiadomość podróżowała w nieskończoność, byłaby w stanie dotrzeć do kogoś, kto znajduje się 16 miliardów lat świetlnych od nas. Nazywa się to „kosmicznym horyzontem zdarzeń”. Najdalsza planeta, którą udało nam się zaobserwować, znajduje się jednak tylko 25 tysięcy lat świetlnych od nas, więc nadal moglibyśmy pozdrowić wszystkich, o których wiemy, że mogą istnieć we Wszechświecie do tej pory. Najdalsza odległość, w jakiej nasze obecne teleskopy mogą zidentyfikować galaktykę od nas, to tylko około 13,3 miliarda lat świetlnych, więc nie możemy teraz zobaczyć, co znajduje się na obu tych „krawędziach”. Więc nikt nie wie, co jest na którejkolwiek z tych krawędzi!

Abigail Vieregg

Assistant Professor at the Kavil Institute for Cosmological Physics at the University of Chicago

Używając teleskopów na Ziemi, patrzymy na światło pochodzące z odległych miejsc we wszechświecie. Im dalej znajduje się źródło światła, tym dłużej trwa dotarcie tego światła do nas. Tak więc, kiedy patrzysz na odległe miejsca, patrzysz na to, jak wyglądały te miejsca, kiedy światło, które widzisz, zostało stworzone – nie na to, jak te miejsca wyglądają dzisiaj. Możesz patrzeć coraz dalej i dalej, co odpowiada coraz dalszemu cofaniu się w czasie, aż trafisz na miejsce odpowiadające kilkuset tysiącom lat po Wielkim Wybuchu. Zanim to nastąpiło, Wszechświat był tak gorący i gęsty (na długo przed powstaniem gwiazd i galaktyk!), że każde światło we Wszechświecie po prostu grzechotało i nie możemy go dziś zobaczyć za pomocą naszych teleskopów. To miejsce jest krawędzią „obserwowalnego wszechświata” – czasami nazywane jest horyzontem – ponieważ nie możemy zobaczyć nic poza nim. W miarę upływu czasu ten horyzont się zmienia. Gdybyś mógł spojrzeć z innej planety gdzieś indziej we wszechświecie, prawdopodobnie zobaczyłbyś coś bardzo podobnego do tego, co widzimy tutaj z Ziemi: twój własny horyzont, ograniczony przez czas, który upłynął od Wielkiego Wybuchu, prędkość światła i sposób, w jaki wszechświat się rozszerzył.

Jak wygląda dziś miejsce odpowiadające ziemskiemu horyzontowi? Nie możemy tego wiedzieć, ponieważ możemy oglądać to miejsce tylko tak, jak było tuż po Wielkim Wybuchu, a nie tak, jak jest dzisiaj. Jednak wszystkie pomiary wskazują, że cały wszechświat, który możemy zobaczyć, włączając w to krawędź obserwowalnego wszechświata, wygląda mniej więcej tak, jak nasz lokalny wszechświat dzisiaj: z gwiazdami, galaktykami, gromadami galaktyk i mnóstwem pustej przestrzeni.

Myślimy również, że wszechświat jest znacznie większy niż ta część wszechświata, którą tak się składa, że możemy zobaczyć dzisiaj z Ziemi, i nie ma żadnej „krawędzi” samego wszechświata. Jest to po prostu czasoprzestrzeń, która się rozszerza.

Artur B. Kosowsky

Profesor fizyki, Uniwersytet w Pittsburgu, którego badania koncentrują się na kosmologii i pokrewnych zagadnieniach fizyki teoretycznej

Jedną z najbardziej fundamentalnych własności wszechświata jest jego wiek, który na podstawie różnych pomiarów określamy obecnie na 13,7 miliarda lat. Ponieważ wiemy również, że światło rozchodzi się ze stałą prędkością, oznacza to, że promień świetlny, który rozpoczął swój bieg w bardzo wczesnym momencie, przebył do dziś określoną odległość (zwaną „odległością horyzontu” lub „odległością Hubble’a”). Ponieważ nic nie rozchodzi się szybciej niż prędkość światła, odległość Hubble’a jest najdalszą odległością, jaką w zasadzie możemy kiedykolwiek zaobserwować (chyba że odkryjemy jakiś sposób na obejście teorii względności!).

Mamy źródło światła docierające do nas z odległości prawie równej odległości Hubble’a: kosmiczne mikrofalowe promieniowanie tła. Wiemy, że nie ma „krawędzi” wszechświata aż do odległości pochodzenia mikrofalowego promieniowania tła, która jest prawie całą odległością Hubble’a od nas. Zazwyczaj przyjmujemy więc, że wszechświat jest znacznie większy niż nasza obserwowalna objętość Hubble’a, a jakakolwiek krawędź, która mogłaby istnieć, znajduje się znacznie dalej, niż jesteśmy w stanie zaobserwować. Być mo „e nie jest to prawdą: mo „e wszechświat ma krawędź tuż za odległością Hubble’a od nas, a poza nią są morskie potwory. Ale ponieważ cały wszechświat, który możemy obserwować, wygląda stosunkowo podobnie i jednolicie, byłby to niezwykle dziwny stan rzeczy.

Obawiam się więc, że nigdy nie uzyskamy dobrej odpowiedzi na to pytanie: wszechświat może w ogóle nie mieć krawędzi, a jeśli ma krawędź, to jest ona na tyle daleko, że światło z krawędzi nie zdążyło jeszcze dotrzeć do nas w całej historii wszechświata. Musimy zadowolić się zrozumieniem części wszechświata, którą możemy zaobserwować.

Masz palące pytanie do Giz Asks? Wyślij do nas e-mail na adres [email protected].