Ce se află la marginea Universului?
Este o emoție de rutină în 2019 să îți dorești de urgență, de patru sau cinci ori într-o zi, să fii lansat nu pur și simplu în spațiu, ci chiar la marginea universului, cât mai departe posibil de visul febril de vreme rea, trenuri distruse și leziuni potențial canceroase la coapse care constituie viața pe Pământ. Dar ce te-ar aștepta, sus, la granița cosmologică? Este chiar o graniță, sau ceea ce avem de-a face aici este mai degrabă un fel de plafon de o imensitate de neconceput? Există măcar o graniță/tavan acolo sus? Pentru emisiunea Giz Asks din această săptămână, am discutat cu o serie de fizicieni orientați spre cosmologie pentru a afla.
Acest browser nu suportă elementul video.
Sean Carroll
Profesor de cercetare, Fizică, Caltech, ale cărui cercetări se concentrează, printre altele, pe mecanica cuantică, gravitație, cosmologie, mecanică statistică și fundamentele fizicii
Nu există o margine a universului, din câte știm. Există o margine a universului observabil – nu putem vedea decât până la o anumită distanță. Acest lucru se datorează faptului că lumina călătorește cu o viteză finită (un an-lumină pe an), astfel încât, pe măsură ce ne uităm la lucruri îndepărtate, privim, de asemenea, înapoi în timp. În cele din urmă vedem ceea ce se întâmpla în urmă cu aproape 14 miliarde de ani, radiația rămasă de la Big Bang. Acesta este fondul cosmic de microunde, care ne înconjoară din toate părțile. Dar nu este cu adevărat o „margine” fizică în niciun sens util.
Pentru că nu putem vedea decât atât de departe, nu suntem siguri cum sunt lucrurile dincolo de universul nostru observabil. Universul pe care îl vedem este destul de uniform la scări mari și poate că acest lucru continuă literalmente pentru totdeauna. Alternativ, universul ar putea să se înfășoare ca o (versiune tridimensională a unei) sfere sau a unui torus. Dacă acest lucru ar fi adevărat, universul ar fi finit ca dimensiune totală, dar tot nu ar avea o margine, la fel cum un cerc nu are un început sau un sfârșit.
Publicitate
Este, de asemenea, posibil ca universul să nu fie uniform dincolo de ceea ce putem vedea, iar condițiile să fie extrem de diferite de la un loc la altul. Această posibilitate este multiversul cosmologic. Nu știm dacă există un multivers în acest sens, dar, din moment ce, de fapt, nu putem vedea într-un fel sau altul, este înțelept să păstrăm o minte deschisă.
Jo Dunkley
Profesor, Fizică și Științe Astrofizice, Universitatea Princeton, ale cărui cercetări sunt în domeniul cosmologiei și al studierii originilor și evoluției Universului
Mai mult de atât!
Okay, deci nu credem de fapt că există o margine a Universului. Credem că acesta fie continuă la infinit de departe în toate direcțiile, fie poate că este înfășurat pe el însuși, astfel încât nu este infinit de mare, dar tot nu are margini. Suprafața unei gogoși este la fel: nu are o margine. Este posibil ca și întregul univers să fie așa (dar în trei dimensiuni – suprafața unei gogoși este doar bidimensională). Asta înseamnă că ai putea pleca în orice direcție în spațiu cu o rachetă și, dacă ai călători suficient de mult timp, te-ai întoarce de unde ai plecat. Fără margini.
Publicitate
Dar există, de asemenea, un lucru pe care îl numim univers observabil, care este partea din spațiu pe care o putem vedea cu adevărat. Marginea acestuia este locul dincolo de care lumina nu a avut timp să ajungă la noi de la începutul universului. Aceasta este doar marginea a ceea ce putem vedea, iar dincolo de ea se află probabil mai mult din aceleași lucruri pe care le putem vedea în jurul nostru: super-clustere de galaxii, fiecare galaxie enormă conținând miliarde de stele și planete.
Jessie Shelton
Profesor asistent, Fizică și Astronomie, University of Illinois Urbana-Champaign, ale cărui cercetări se concentrează pe astrofizică și cosmologie
Depinde de ceea ce înțelegeți prin marginea universului. Deoarece viteza luminii este finită, pe măsură ce privim din ce în ce mai departe în spațiu, privim din ce în ce mai departe în timp – chiar și atunci când ne uităm la galaxia vecină, Andromeda, vedem nu ceea ce se întâmplă acum, ci ceea ce se întâmpla în urmă cu două milioane și jumătate de ani, când stelele din Andromeda emiteau lumina pe care telescoapele noastre o detectează abia acum. Cea mai veche lumină pe care o putem vedea provine de la cea mai îndepărtată distanță, astfel încât, într-un anumit sens, marginea universului este ceea ce putem vedea în cea mai veche lumină care ajunge la noi. În universul nostru, acesta este fondul cosmic de microunde – o strălucire slabă și persistentă a Big Bang-ului, care marchează momentul în care universul s-a răcit suficient pentru a permite formarea atomilor. Aceasta se numește suprafața ultimei împrăștieri, deoarece marchează locul în care fotonii au încetat să mai facă ping-pong între electroni într-o plasmă fierbinte și ionizată și au început să se împrăștie prin spațiul transparent, până la noi, pe Pământ, pe o distanță de miliarde de ani-lumină. Așadar, se poate spune că marginea universului este suprafața ultimei împrăștieri.
Ce se află la marginea universului în acest moment? Ei bine, nu știm – nu putem, ar trebui să așteptăm ca lumina care este emisă acolo acum să ajungă aici cu multe, multe miliarde de ani în viitor și, din moment ce universul se extinde din ce în ce mai repede, probabil că nu va reuși să ajungă aici deloc – dar putem face o presupunere. La cele mai mari scări, universul nostru arată cam la fel în orice direcție am privi. Așadar, sunt șanse ca, dacă ați fi la marginea universului nostru observabil astăzi, ați vedea un univers care arată mai mult sau mai puțin la fel ca al nostru – galaxii, mari și mici, în toate direcțiile. Astfel, o presupunere foarte bună pentru ceea ce se află acum la marginea universului este, pur și simplu, mai mult univers: mai multe galaxii, mai multe planete, poate chiar mai multe ființe vii care își pun aceeași întrebare.
Publicitate
Michael Troxel
Profesor asistent, Fizică, Duke University, ale cărui cercetări se concentrează asupra cosmologiei observaționale și teoretice
În ciuda faptului că Universul are probabil o dimensiune infinită, există de fapt mai mult de o „margine” practică.
Credem că Universul este de fapt infinit – nu are nicio margine. Dacă Universul este „plat” (ca o foaie de hârtie), așa cum am testat că este cu o precizie mai mare de un procent, sau „deschis” (ca o șa), atunci el este într-adevăr infinit. Dacă este „închis”, adică un fel de minge de baschet, atunci nu este infinit. Cu toate acestea, dacă mergeți suficient de departe într-o direcție, veți ajunge în cele din urmă înapoi de unde ați pornit – gândiți-vă doar la deplasarea de-a lungul suprafeței mingii. Așa cum a spus odată un hobbit pe nume Bilbo: „Drumul continuă mereu și mereu/ Ieșind din ușa de unde a început” (la nesfârșit…).
Universul are încă o „margine” pentru noi, totuși – două, de fapt. Acest lucru se datorează unei părți a Relativității Generale care spune că toate lucrurile (inclusiv lumina) din Univers au o limită de viteză – aproximativ 670 de milioane de mile pe oră – și această limită de viteză este aceeași peste tot. Măsurătorile noastre ne spun, de asemenea, că Universul se extinde în toate direcțiile, și nu doar că se extinde, ci se extinde din ce în ce mai repede în timp. Acest lucru înseamnă că, atunci când observăm un obiect foarte îndepărtat de noi, lumina de la acel obiect are nevoie de un anumit timp pentru a ajunge la noi (distanța împărțită la viteza luminii). Lucrul complicat este că, deoarece spațiul se extinde în timp ce lumina călătorește spre noi, distanța pe care lumina trebuie să o parcurgă crește, de asemenea, în timp, în drumul său spre noi.
Publicitate
Atunci, primul lucru pe care l-ați putea întreba este care este cea mai îndepărtată distanță la care am putea observa lumina de la un obiect dacă ar fi emisă chiar la începutul Universului (care are o vechime de aproximativ 13,7 miliarde de ani). Această distanță se dovedește a fi de aproximativ 47 de miliarde de ani-lumină (un an-lumină este de aproximativ 63.241 de ori distanța dintre Pământ și Soare) și se numește „orizontul de mișcare”. Puteți, de asemenea, să puneți întrebarea într-un mod ușor diferit. Dacă am trimite un mesaj cu viteza luminii, care este cea mai îndepărtată distanță la care cineva de pe o altă planetă l-ar putea primi vreodată? Acest lucru este și mai interesant, deoarece rata de expansiune a Universului devine mai rapidă în viitor (în loc să încetinească în trecut).
Se pare că, chiar dacă mesajul ar călători la nesfârșit, ar putea ajunge vreodată doar la cineva care se află acum la 16 miliarde de ani-lumină de noi. Acest lucru se numește „orizontul cosmic al evenimentelor”. Totuși, cea mai îndepărtată planetă pe care am reușit să o observăm se află la doar aproximativ 25 de mii de ani-lumină distanță, așa că am putea totuși, în cele din urmă, să salutăm pe toți cei care știm că ar putea exista în Univers până acum. Totuși, cea mai îndepărtată distanță la care telescoapele noastre actuale ar putea identifica o galaxie față de noi este de numai aproximativ 13,3 miliarde de ani-lumină, astfel încât nu putem vedea ce se află la oricare dintre aceste „margini” în acest moment. Așadar, nimeni nu știe ce se află la niciuna dintre cele două margini!
Abigail Vieregg
Profesor asistent la Institutul Kavil pentru Fizică Cosmologică de la Universitatea din Chicago
Utilizând telescoapele de pe Pământ, ne uităm la lumina care vine din locuri îndepărtate din univers. Cu cât sursa de lumină este mai îndepărtată, cu atât mai mult timp îi ia acelei lumini să ajungă aici. Așadar, atunci când vă uitați la locuri îndepărtate, vă uitați la cum erau acele locuri atunci când lumina pe care ați văzut-o a fost creată – nu la cum sunt acele locuri astăzi. Poți continua să te uiți din ce în ce mai departe, ceea ce corespunde unei perioade de timp din ce în ce mai îndepărtate, până când vei ajunge într-un loc care corespunde la câteva sute de mii de ani după Big Bang. Înainte de acest moment, universul era atât de fierbinte și de dens (cu mult înainte de a exista stele și galaxii!) încât orice lumină din univers pur și simplu se mișca, iar noi nu o putem vedea cu telescoapele noastre de astăzi. Acest loc este marginea „universului observabil” – numit uneori orizont – deoarece nu putem vedea dincolo de el. Pe măsură ce trece timpul, acest orizont se schimbă. Dacă ați putea privi de pe o altă planetă, undeva în altă parte în univers, probabil că ați vedea ceva foarte asemănător cu ceea ce vedem noi aici, de pe Pământ: propriul orizont, limitat de timpul care a trecut de la Big Bang, de viteza luminii și de modul în care s-a extins universul.
Publicitate
Cum arată astăzi locul care corespunde orizontului Pământului? Nu putem ști, deoarece putem vedea acel loc doar așa cum era imediat după Big Bang, nu așa cum este astăzi. Cu toate acestea, toate măsurătorile indică faptul că tot universul pe care îl putem vedea, inclusiv marginea universului observabil, arată aproximativ la fel ca universul nostru local de astăzi: cu stele, galaxii și roiuri de galaxii și mult spațiu gol.
Credem, de asemenea, că universul este mult mai mare decât partea de univers pe care se întâmplă să o putem vedea astăzi de pe Pământ și că nu există o „margine” a universului în sine. Este doar spațiu-timp, în expansiune.
Arthur B. Kosowsky
Profesor, Fizică, Universitatea din Pittsburgh, ale cărui cercetări se concentrează asupra cosmologiei și a aspectelor conexe ale fizicii teoretice
Una dintre cele mai fundamentale proprietăți ale universului este vârsta sa, care, în urma unei varietăți de măsurători, stabilim acum că este de 13,7 miliarde de ani. Deoarece știm, de asemenea, că lumina se propagă cu o viteză constantă, acest lucru înseamnă că o rază de lumină care a pornit la un moment foarte timpuriu a parcurs o anumită distanță până în prezent (numită „distanța orizontului” sau „distanța Hubble”). Deoarece nimic nu se propagă mai repede decât viteza luminii, distanța Hubble este cea mai îndepărtată distanță pe care o putem observa în principiu (cu excepția cazului în care descoperim o modalitate de a ocoli teoria relativității!).
Publicitate
Avem o sursă de lumină care vine spre noi de la aproape distanța Hubble: radiația cosmică de fond cu microunde. Știm că nu există o „margine” a universului până la distanța de origine a fondului de microunde, care este aproape toată distanța Hubble de la noi. Așadar, în mod obișnuit, presupunem că universul este mult mai mare decât volumul nostru observabil Hubble, iar orice margine reală care ar putea exista este mult mai departe decât putem observa vreodată. Este posibil ca acest lucru să nu fie corect: poate că universul are o margine chiar dincolo de distanța Hubble față de noi, iar dincolo de aceasta se află monștrii marini. Dar, din moment ce tot universul pe care îl putem observa arată relativ similar și uniform, aceasta ar fi o stare de lucruri extrem de ciudată.
Așa că mă tem că nu vom avea niciodată un răspuns bun la această întrebare: este posibil ca universul să nu aibă deloc o margine, iar dacă are o margine, acea margine este suficient de departe pentru ca lumina de la margine să nu fi avut încă suficient timp să ajungă la noi în întreaga istorie a universului. Trebuie să ne mulțumim să înțelegem partea din univers pe care o putem observa efectiv.
Ai o întrebare arzătoare pentru Giz Asks? Trimiteți-ne un e-mail la [email protected].
.