Чи розширюєтеся ви разом з Всесвітом

Перше свідчення того, що наш Всесвіт розширюється, з'явилося у світлі, що приходить від далеких галактик.
Якщо ви подивитеся на спектр Сонця, то побачите ці темні лінії, і ці самі лінії ми бачимо в спектрах галактик, але там вони зміщені в бік довших хвиль, тобто в бік червоного кінця спектра.
Тож, ми кажемо, що таке світло зазнало червоного зміщення.
Стандартне пояснення цього червоного зміщення наступне: коли світло проходить крізь простір, що розширюється, самі фотони стають розтягнутими, а отже короткі хвилі стають довшими.
Це відоме як космологічне червоне зміщення.
Пояснення інтуїтивно зрозуміло і більшість сприймає його як щось очевидне.
Але можна добре подумати над цим, розібратися.
Якщо простір, який розширюється, може розтягнути щось на кшталт фотона, тобто щось настільки крихітне, то чи не розтягує він атоми й молекули?
І чи розтягує такий простір зірки й галактики?
А як щодо вас?
Чи розширюєтесь ви разом з усесвітом?
Зоб відповісти на ці запитання, ми повинні детальніше з'ясувати, що ж насправді означає червоне зміщення.
Фізики говорять про три види червоного зміщення:
- доплерівське, при якому спостерігачі, що рухаються один відносно одного, вимірюють різні довжини хвиль;
- гравітаційне, при якому спостерігачі в різних місцях у гравітаційному полі вимірюють різні довжини хвиль;
- і космологічне червоне зміщення, при якому спостерігачі обмінюються фотонами на величезних відстанях у всесвіті, що розширюється і вимірюють різні довжини хвиль.
Ці три випадки здаються дуже різними й вони описуються різними рівняннями.
То як насправді відбувається кожне червоне зміщення?
Почнімо з фотона у гравітаційному полі.
У 1959 році гарвардські фізики Паунд і Ребка провели експеримент з фотонами, спрямовуючи їх вгору і вниз у 22-х метровій вежі.
Вони використовували гамма-промені, але я зображатиму їх видимим світлом.
Вчені виявили, що фотони при досягненні верхньої частини вежі мали червоний зсув відносно джерела, який збігається з передбаченим загальною теорією відносності значенням.
Цей зсув дуже малий, на анімації ефект сильно перебільшений для наочності.
Де ж на шляху фотона відбувається його червоне зміщення?
Це відбувається неперервно на усьому шляху.
Фотон втрачає трохи енергії на кожному міліметрі своєї подорожі вгору.
Це означає, що фотон посередині вежі буде зеленим.
Згідно з принципом еквівалентності Айнштайна, стан спокою на поверхні Землі неможливо відрізнити від перебування в ракеті, що прискорюється з 1 Же у глибокому космосі.
Тож, ми могли б провести той самий експеримент на ракеті й отримати такий самий результат.
Якщо ми відправимо сині фотони в бік носа ракети, вони стали б червоними при досягненні передньої її частини, а посередині корабля вони були б зеленими.
І це саме те, що спостерігалося для стану спокою в гравітаційному полі, тож принцип еквівалентності зберігається.
А тепер уявіть ряд зовнішніх спостерігачів, які просто ширяють в космосі, перебуваючи в спокої один відносно одного і маючи змогу бачити все всередині ракети.
Припустімо, що ракета спочатку перебуває в стані спокою, а її двигуни вмикаються одночасно з випромінюванням фотона.
Оскільки всі спостерігачі нерухомі, в цей момент вони виміряють однакову довжину хвилі, яка відповідає синьому кольору.
Яким для них буде фотон в центрі ракети?
Астронавти всередині ракети побачать його зеленим.
Але як щодо нерухомих спостерігачів ззовні?
Для них фотон рухався крізь звичайний плаский простір-час, тож він повинен бути синім?
Таким самим як і в момент випромінювання.
То, в чому справа?
Як один і той самий фотон може бути зеленим і синім одночасно?
Чи був порушений принцип еквівалентності?
Відповідь - ні.
Для цього вимірювання дуже важливо хто саме проводить спостереження.
Зверніть увагу: після випускання фотона ракета прискорюється.
Отже, в момент, коли фотон досягне середини ракети, вона і все у ній рухатиметься з високою швидкістю відносно джерела при випромінюванні світла і відносно спостерігачів поза ракетою.
Тому фотон виміряний в ракеті матиме інший вигляд - він буде зміщений в бік червоного за рахунок ефекту Доплера, оскільки спостерігач всередині корабля рухається дуже швидко в напрямку від джерела.
Коли фотон досягне верху ракети, вона рухатиметься іще швидше, через що він здаватиметься червоним, але для нерухомого спостерігача ззовні він все ще буде синім.
Цей уявний експеримент показує, що довжина хвилі та енергія не є внутрішніми властивостями фотонів.
Вони характеризують систему фотон-спостерігач.
А тепер відтворимо експеримент з гарвардською баштою.
Спостерігачі в будівлі бачать як фотон зазнає червоного зміщення під час руху вгору, але ось запитання: що побачить спостерігач, який вільно падає?
Ну, він не відрізнятиметься від нерухомих спостерігачів у космосі, які спостерігають за пришвидшенням ракети.
Фізика цих двох ситуацій абсолютно тотожна.
Отож, для них червоного зміщення не існувало б, фотон для них весь час був би синім.
Я хочу показати, що насправді не існує трьох різних видів червоного зміщення, є лише один.
Ми вже бачили, що гравітаційне червоне зміщення еквівалентне доплерівському, коли аналізуємо його у прискорюваній ракеті.
Але, як щодо космологічного червоного зміщення?
Для цього нам потрібно збільшити масштаб.
Ми маємо нашу Сонячну систему, галактику Чумацький шлях і наше місцеве скупчення галактик.
Ми хочемо перейти на такий рівень, щоб галактики у спостережуваному всесвіті були схожі на молекули в рідині.
Космічній рідині.
У такому масштабі ми можемо вважати всесвіт однорідним, саме так його називають космологи.
І так само як ви не помічаєте окремих молекул у склянці води, у цьому масштабі ми не виділяємо окремих галактик у космічній рідині.
І космічна рідина має однаковий вигляд в усіх напрямках, не існує виділеного напрямку.
Всесвіт у такому масштабі називають ізотропним.
Ви можете помітити, що космічна рідина розширюється.
Незалежно від того, куди ви дивитесь, ви бачите одне й те саме - все розлітається.
Густина космічної рідини з часом зменшується, і це основна властивість всесвіту, який розширюється.
Можна визначити координати для всесвіту.
Ми могли б обрати будь-яку іншу систему координат, але найкращою є система координат, яка розширюється разом з космічною рідиною.
Тож координати різних спостерігачів не змінюватимуться з часом і вони відомі як супутні, або супровідні спостерігачі.
Вони перебувають у спокої відносно космічної рідини.
До речі, ту, на Землі ми не є супутніми спостерігачами.
Наша галактика рухається на швидкості 600 кілометрів на секунду відносно реліктового випромінювання.
А тепер нумо оберімо двох супутніх спостерігачів на великій відстані й попросимо їх обмінятися фотонам.
Його довжина хвилі буде розтягнута на величину розширення всесвіту за час подорожі фотона.
Це стандартне зображення космологічного червоного зміщення.
А тепер розглянемо багато інших супутніх спостерігачів уздовж траєкторії цього фотона.
Кожен з них поглинає фотон і миттєво випромінює інший, ідентичний початковому.
Кожен наступний спостерігач випромінюватиме трохи більшу довжину хвилі, ніж попередній спостерігач.
Фотон розтягується так само, як можна було б очікувати у всесвіті, що розширюється.
Але причина, яка відповідає за червоне зміщення, буде іншою.
Для кожного спостерігача сусідні з ним супутні спостерігачі здаються такими, що віддаляються в локально пласкому просторі-часі.
Збільшення довжини хвилі фотона вони б пояснили ефектом Доплера, пов'язаним з їхнім відносним рухом.
Тож, усе космологічне червоне зміщення можна вважати результатом довгої послідовності доплерівських зсувів.
Таким чином, червоне зміщення - це не те, що відбувається з самим фотоном, натомість воно залежить від того, що відбувається зі спостерігачами в точках випромінювання і поглинання фотона.
Насправді не існує трьох різних видів червоного зміщення, є лише один вид і в основі його пояснення лежить одна і та сама математика.
Різні його види пов'язані з обраною системою відліку.
Можливо, говорити про розширення простору досить зручно, коли два супутні спостерігачі обмінюються фотонами у всесвіті, що розширюється.
Тож довжина хвилі фотона розтягується на величину розширення всесвіту за час руху.
Просто і зрозуміло.
Але, ви можете пояснити це червоне зміщення послідовністю доплерівських зсувів, які не потребують розширення самого простору.
Помилковою є думка, що червоне зміщення фотонів під час їхньої подорожі крізь всесвіт пов'язано з простором, що розширюється, який нібито діє певним чином на об'єкти, розтягуючи їх.
Але це відбувається не так.
Простір так не поводиться.
Повернімося до головного запитання цього відео - чи розширюєтеся ви разом з усесвітом?
Відповідь - ні.
Тому що, в нашому масштабі всесвіт неоднорідний.
Я маю на увазі, що речовина конденсується в об'єкти на кшталт Землі й всесвіт для нас не є ізотропним, тобто вигляд в горі кардинально відрізняється від того, що є внизу.
Основні припущення, які ми робили для нашого всесвіту, що розширюється, тут не застосовні.
Тобто місцева кривина простору-часу є домінуючою для Землі.
Отже, якби ви опинилися у глибокому космосі далеко від галактик, то ви б розтягувалися?
Ні.
Тому що ваше тіло зберігає цілісність завдяки електромагнітним силам.
Але що, якби ви могли вимкнути електромагнітну силу і зробити ваше тіло хмарою невзаємодіючих частин?
Ну, в такому випадку, з часом ви б розширилися, але лише тому, що в нашому всесвіті зараз домінує темна енергія.
Гаразд, підсумуємо.
Червоне зміщення не означає, що простір розширюючись розтягує все, що в ньому є.
Молекули не розтягуються, зірки також не розтягується, і галактики, і ви теж не розтягуєтесь.
Окрім деяких надзвичайно виняткових умов.