นักจักรวาลวิทยาเป็นนักเดินทางข้ามเวลา เมื่อมองย้อนกลับไปหลายพันล้านปีนักวิทยาศาสตร์เหล่านี้สามารถติดตามวิวัฒนาการของจักรวาลของเราในรายละเอียดที่น่าอัศจรรย์ เหนือมหายุคต่อมาจักรวาลของเราเติบโตจนมีขนาดมหึมาจนเราไม่สามารถมองเห็นอีกด้านได้
แต่สิ่งนี้จะเป็นอย่างไร หากความเร็วของแสงทำเครื่องหมาย จำกัด ความเร็วของจักรวาลอาจเป็นไปได้ว่าภูมิภาคของกาลอวกาศซึ่งโฟตอนอยู่ห่างไกลเกินเอื้อมของเราอย่างไร และแม้ว่าจะมีเราจะรู้ได้อย่างไรว่าพวกเขามีอยู่ทั้งหมด?
จักรวาลที่ขยายตัว
เหมือนทุกสิ่งทุกอย่างในฟิสิกส์จักรวาลของเรามุ่งมั่นที่จะอยู่ในสถานะพลังงานต่ำที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ แต่ประมาณ 10-36 ไม่กี่วินาทีหลังจากบิ๊กแบงนักดาราศาสตร์วิทยาเงินเฟ้อเชื่อว่าเอกภพพบว่าตัวเองพักอยู่แทนที่จะเป็น "พลังงานสูญญากาศปลอม" - จุดต่ำที่ไม่ได้เป็นจุดต่ำจริงๆ การค้นหาจุดตกต่ำที่แท้จริงของพลังงานสูญญากาศในเวลาเพียงเสี้ยวนาทีจักรวาลก็คิดว่ามีจำนวนถึง 10 ครั้ง50.
ตั้งแต่นั้นมาจักรวาลของเราก็ยังคงขยายตัวอย่างต่อเนื่อง แต่ก็ช้ากว่ามาก เราเห็นหลักฐานของการขยายตัวนี้ในแสงจากวัตถุระยะไกล เมื่อโฟตอนถูกปล่อยออกมาจากดาวฤกษ์หรือกาแล็กซี่แพร่กระจายไปทั่วจักรวาลการยืดพื้นที่ทำให้พวกเขาสูญเสียพลังงาน เมื่อโฟตอนมาถึงเราความยาวคลื่นของพวกเขาจะถูกเปลี่ยนเป็นสีแดงตามระยะทางที่พวกเขาเดินทางไป
นี่คือเหตุผลที่นักดาราศาสตร์วิทยาพูดถึงการเปลี่ยนสีแดงเป็นฟังก์ชันของระยะทางทั้งในอวกาศและเวลา แสงจากวัตถุที่อยู่ห่างไกลเหล่านี้ได้เดินทางมานานจนเมื่อเราเห็นมันในที่สุดเราก็จะเห็นวัตถุอย่างที่มันเคยเป็นเมื่อหลายพันล้านปีก่อน
ปริมาตรของฮับเบิล
แสง Redshifted ช่วยให้เรามองเห็นวัตถุเช่นกาแลคซีตามที่มีอยู่ในอดีตอันไกลโพ้น แต่เรามองไม่เห็น ทั้งหมด เหตุการณ์ที่เกิดขึ้นในจักรวาลของเราในช่วงประวัติศาสตร์ เนื่องจากจักรวาลของเรากำลังขยายตัวแสงจากวัตถุบางอย่างอยู่ไกลเกินกว่าที่เราจะมองเห็นได้
ฟิสิกส์ของขอบเขตนั้นอาศัยบางส่วนของกาลอวกาศรอบข้างที่เรียกว่าปริมาตรฮับเบิล ที่นี่บนโลกเรากำหนดปริมาตรฮับเบิลโดยการวัดบางสิ่งที่เรียกว่าพารามิเตอร์ฮับเบิล (H)0) ค่าที่เกี่ยวข้องกับความเร็วการถดถอยที่ชัดเจนของวัตถุที่อยู่ห่างไกลไปยัง redshift มันถูกคำนวณเป็นครั้งแรกในปี 1929 เมื่อ Edwin Hubble ค้นพบว่ากาแลคซีที่อยู่ห่างไกลดูเหมือนจะเคลื่อนห่างจากเราในอัตราที่เป็นสัดส่วนกับการเปลี่ยนสีแดงของแสง
หารความเร็วแสงด้วย H0เราได้ปริมาตรฮับเบิล ฟองทรงกลมนี้ล้อมรอบพื้นที่ที่วัตถุทั้งหมดเคลื่อนห่างจากผู้สังเกตการณ์กลางด้วยความเร็วน้อยกว่าความเร็วแสง ตามลําดับวัตถุทั้งหมดที่อยู่นอกระดับเสียงฮับเบิลจะย้ายออกจากศูนย์กลางได้เร็วขึ้น กว่าความเร็วแสง
ใช่“ เร็วกว่าความเร็วแสง” เป็นไปได้อย่างไร?
ความมหัศจรรย์ของสัมพัทธภาพ
คำตอบนั้นเกี่ยวกับความแตกต่างระหว่างทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษกับทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป ทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษต้องการสิ่งที่เรียกว่า "กรอบอ้างอิงเฉื่อย" - ฉากหลังทำได้ง่ายกว่า ตามทฤษฎีนี้ความเร็วของแสงจะเท่ากันเมื่อเปรียบเทียบกับกรอบอ้างอิงเฉื่อยทั้งหมด ไม่ว่าผู้สังเกตการณ์กำลังนั่งนิ่ง ๆ อยู่บนม้านั่งในสวนบนดาวเคราะห์โลกหรือซูมผ่านดาวเนปจูนด้วยจรวดความเร็วสูงแห่งอนาคตความเร็วของแสงก็เหมือนกันเสมอ โฟตอนจะเดินทางออกจากผู้สังเกตการณ์ที่ 300,000,000 เมตรต่อวินาทีเสมอและเขาหรือเธอจะไม่มีวันตามทัน
อย่างไรก็ตามทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปอธิบายถึงโครงสร้างของกาลอวกาศนั้น ในทฤษฎีนี้ไม่มีกรอบอ้างอิงเฉื่อย กาลอวกาศไม่ได้ขยายตัวเมื่อเทียบกับสิ่งใดก็ตามที่อยู่นอกตัวเองดังนั้นความเร็วของแสงที่เป็นข้อ จำกัด ด้านความเร็วจึงไม่มีผล ใช่กาแลคซีที่อยู่นอกทรงกลมฮับเบิลของเรากำลังถอยห่างจากเราเร็วกว่าความเร็วแสง แต่กาแลคซีเองก็ไม่ได้ทำลายขีด จำกัด ความเร็วของจักรวาล สำหรับผู้สังเกตการณ์ภายในกาแลคซีแห่งใดแห่งหนึ่งไม่มีสิ่งใดที่ละเมิดสัมพัทธภาพพิเศษเลย มันเป็นช่องว่างระหว่างเรากับกาแลคซีเหล่านั้นที่แพร่กระจายและขยายตัวอย่างรวดเร็ว
จักรวาลที่สังเกตได้
ตอนนี้สำหรับกระสุนนัดต่อไป: ปริมาตรฮับเบิลไม่เหมือนกับจักรวาลที่สังเกตได้
เพื่อให้เข้าใจสิ่งนี้ให้พิจารณาว่าเมื่อจักรวาลมีอายุมากขึ้นแสงที่อยู่ห่างไกลมีเวลามากขึ้นในการเข้าถึงเครื่องตรวจจับของเราที่นี่บนโลก เราสามารถเห็นวัตถุที่เร่งความเร็วเกินระดับเสียงฮับเบิลในปัจจุบันของเราเพราะแสงที่เราเห็นในวันนี้ถูกปล่อยออกมาเมื่ออยู่ภายใน
พูดอย่างเคร่งครัดจักรวาลที่สังเกตได้ของเราเกิดขึ้นพร้อมกับสิ่งที่เรียกว่า ขอบฟ้าอนุภาค. เส้นขอบฟ้าของอนุภาคหมายถึงระยะห่างจากแสงมากที่สุดที่เราสามารถมองเห็นได้ในเวลานี้ - โฟตอนที่มีเวลาเพียงพอที่จะอยู่ภายในหรือทันกับวงรีฮับเบิลที่ขยายตัวออกไปอย่างอ่อนโยน
และระยะนี้คืออะไร? น้อยกว่า 46 พันล้านปีแสงในทุกทิศทางทำให้จักรวาลของเรามีขนาดเส้นผ่าศูนย์กลางประมาณ 93 พันล้านปีแสงหรือมากกว่า 500 พันล้านล้านล้านไมล์
(หมายเหตุสั้น ๆ : ขอบฟ้าของอนุภาคนั้นไม่เหมือนกับของ ขอบฟ้าเหตุการณ์ทางดาราศาสตร์. ขอบฟ้าของอนุภาคครอบคลุมเหตุการณ์ทั้งหมดในอดีตที่เราเห็นอยู่ในปัจจุบัน ในอีกทางหนึ่งขอบฟ้าเหตุการณ์ทางดาราศาสตร์กำหนดระยะทางซึ่งผู้สังเกตการณ์ในอนาคตจะสามารถมองเห็นแสงโบราณในเวลานั้นมุมอวกาศเล็ก ๆ ของเรากำลังเปล่งออกมาในวันนี้
กล่าวอีกนัยหนึ่งขอบฟ้าของอนุภาคเกี่ยวข้องกับระยะทางไปยังวัตถุในอดีตที่มีแสงโบราณที่เราสามารถมองเห็นได้ในปัจจุบัน ขอบฟ้าเหตุการณ์ทางดาราศาสตร์เกี่ยวข้องกับระยะทางที่แสงในปัจจุบันของเราสามารถเดินทางได้เมื่อภูมิภาคที่ห่างไกลของจักรวาลเร่งออกไปจากเรา)
พลังงานมืด
ขอบคุณการขยายตัวของเอกภพมีพื้นที่ของจักรวาลที่เราไม่เคยเห็นถึงแม้ว่าเราจะสามารถรอเวลาที่ไม่มีที่สิ้นสุดสำหรับแสงของพวกเขาที่จะมาถึงเรา แต่สิ่งที่เกี่ยวกับพื้นที่เหล่านั้นเกินกว่าปริมาณของฮับเบิลในปัจจุบันของเรา? ถ้าทรงกลมนั้นยังขยายตัวเราจะสามารถเห็นวัตถุขอบเขตเหล่านั้นได้หรือไม่?
ขึ้นอยู่กับภูมิภาคใดที่ขยายตัวเร็วกว่า - ปริมาณฮับเบิลหรือส่วนต่าง ๆ ของเอกภพนอกนั้น และคำตอบสำหรับคำถามนั้นขึ้นอยู่กับสองสิ่ง: 1) ไม่ว่าจะเป็นเอช0 กำลังเพิ่มขึ้นหรือลดลงและ 2) ไม่ว่าจักรวาลจะเร่งหรือชะลอตัวลง อัตราสองอัตรานี้มีความเกี่ยวข้องอย่างใกล้ชิด แต่ไม่เหมือนกัน
ในความเป็นจริงนักจักรวาลวิทยาเชื่อว่าเรามีชีวิตอยู่ในช่วงเวลาที่เอช0 กำลังลดลง แต่เนื่องจากพลังงานมืดความเร็วของการขยายตัวของจักรวาลจึงเพิ่มขึ้น
นั่นอาจฟังดูเข้าใจง่าย แต่ตราบใดที่ H0 ลดลงที่ช้าลง ประเมินค่า กว่าที่ความเร็วการขยายตัวของเอกภพเพิ่มขึ้นการเคลื่อนไหวของกาแลคซีโดยรวมยังห่างไกลจากเรายังคงเกิดขึ้นอย่างรวดเร็ว และในเวลานี้นักดาราศาสตร์เชื่อว่าการขยายตัวของเอกภพจะแซงหน้าการเติบโตของปริมาตรฮับเบิลในระดับปานกลางมากขึ้น
ดังนั้นแม้ว่าปริมาตรฮับเบิลของเราจะขยายตัว แต่อิทธิพลของพลังงานมืดนั้นดูเหมือนจะเป็นข้อ จำกัด อย่างหนักสำหรับเอกภพที่สังเกตได้
ข้อ จำกัด ทางโลกของเรา
นักจักรวาลวิทยาดูเหมือนจะมีคำถามที่ลึกซึ้งเกี่ยวกับสิ่งที่เอกภพที่สังเกตได้ของเราจะมีหน้าตาเป็นอย่างไรและการขยายตัวของเอกภพจะเปลี่ยนไปอย่างไร แต่ท้ายที่สุดนักวิทยาศาสตร์สามารถตั้งทฤษฎีคำตอบสำหรับคำถามเกี่ยวกับอนาคตได้โดยอาศัยความเข้าใจในจักรวาลในปัจจุบัน ช่วงเวลาทางดาราศาสตร์นั้นยาวนานอย่างไม่น่าเชื่อว่ามันเป็นไปไม่ได้ที่จะพูดอะไรที่เป็นรูปธรรมเกี่ยวกับว่าจักรวาลจะทำตัวอย่างไรในอนาคต แบบจำลองของวันนี้เหมาะสมกับข้อมูลปัจจุบันอย่างน่าทึ่ง แต่ความจริงก็คือไม่มีพวกเราคนใดที่จะมีชีวิตอยู่ได้นานพอที่จะดูว่าการคาดการณ์นั้นตรงกับผลลัพธ์ทั้งหมดหรือไม่
ผิดหวัง? แน่ใจ แต่ก็คุ้มค่ากับความพยายามที่จะช่วยให้สมองที่อ่อนแอของเราพิจารณาวิทยาศาสตร์ที่น่าเหลือเชื่อเช่นนี้ - ความจริงที่ตามปกติแล้วเป็นแค่คนแปลกหน้าธรรมดากว่านิยาย
