Kung ang Uniberso ay lumalawak, mauunawaan natin kung bakit lumayo sa atin ang malalayong mga kalawakan tulad ng ginagawa nila. Ngunit kung bakit hindi ang mga bituin, planeta at kahit na ang mga atom ay lumalawak din? (C. FAUCHER-GIGUÈRE, A. LIDZ, AT L. HERNQUIST, HALAMAN 319, 5859 (47))

Ito ang Bakit Hindi Kami Nagpapalawak, Kahit na Ang Uniberso Ay

Ang Uniberso ay lumalawak, ngunit kami, ang aming planeta, solar system at kalawakan ay hindi lahat. Narito kung bakit.

Tingnan ang halos lahat ng kalawakan sa Uniberso, at makikita mo na lumilipat ito sa amin. Kung mas malayo ito, mas mabilis itong lumilitaw. Habang ang ilaw ay naglalakbay sa Uniberso, makakakuha ito ng paglipat sa mas mahaba at pagbawas ng mga wavelength, na parang ang tela ng espasyo mismo ay nakaunat. Sa pinakamalalaking distansya, ang mga kalawakan ay itinulak nang napakabilis sa pamamagitan ng pagpapalawak ng Uniberso na walang mga senyas na maaari naming ipadala ay makakarating sa kanila, kahit na sa bilis ng ilaw.

Ngunit kahit na ang tela ng espasyo ay lumalawak sa buong Uniberso - saanman at sa lahat ng direksyon - hindi kami. Ang aming mga atomo ay mananatiling pareho ng laki. Gayundin ang mga planeta, buwan, at mga bituin, pati na rin ang mga distansya na naghihiwalay sa kanila. Kahit na ang mga kalawakan sa aming Lokal na Grupo ay hindi lumalawak sa isa't isa; sila ay gravitating patungo sa isa't isa sa halip. Narito ang susi sa pag-unawa kung ano ang (at hindi) lumalawak sa aming Pagpapalawak ng Uniberso.

Ang orihinal na paglilihi ng espasyo, salamat sa Newton, bilang naayos, ganap at hindi nagbabago. Ito ay isang yugto kung saan maaaring magkaroon ng masa at maakit. (AMBER STUVER, MULA SA IYONG BLOG, MABUTI LIGO)

Ang unang bagay na dapat nating maunawaan ay kung ano ang aming teorya ng grabidad, at kung paano ito naiiba mula sa kung paano mo maaaring isipin ito ng intuitively. Karamihan sa atin ay nag-iisip ng puwang tulad ng ginawa ni Newton: bilang isang nakapirming, hindi nagbabago na hanay ng mga coordinate na maaari mong ilagay ang iyong masa. Nang unang naglihi si Newton ng Uniberso, inilarawan niya ang puwang bilang isang grid. Ito ay isang ganap, naayos na nilalang na puno ng masa na nakakaakit ng bawat isa.

Ngunit nang sumama si Einstein, nakilala niya na ang haka-haka na grid na ito ay hindi naayos, hindi ganap at hindi katulad ng naisip ni Newton. Sa halip, ang grid na ito ay tulad ng isang tela, at ang tela mismo ay hubog, gulong at pilit na umusbong sa paglipas ng panahon sa pamamagitan ng pagkakaroon ng bagay at enerhiya. Bukod dito, ang bagay at enerhiya sa loob nito ay tinukoy kung paano ang spacetime tela na ito ay hubog.

Ang paglalagay ng panahon ng spacetime, sa Pangkalahatang Relativistic na larawan, sa pamamagitan ng masa ng gravitational. Sa halip na isang pare-pareho, hindi nagbabago na parilya, ang Pangkalahatang Pakikipag-ugnayan ay umamin sa isang spacetime na tela na maaaring kapwa magbago sa paglipas ng panahon at kung saan ang mga katangian ay lilitaw na naiiba sa mga tagamasid na may iba't ibang mga galaw at sa iba't ibang mga lokasyon. (LIGO / T. PYLE)

Ngunit kung ang lahat ng mayroon ka sa loob ng iyong oras ng buhay ay isang bungkos ng masa, hindi nila maiiwasang bumagsak upang mabuo ang isang itim na butas, na isinasagawa ang buong Uniberso. Hindi nagustuhan ni Einstein ang ideyang iyon, kaya't idinagdag niya ang isang "pag-aayos" sa anyo ng isang pare-pareho ng kosmolohiko. Kung mayroong umiiral na dagdag na term - na kumakatawan sa isang dagdag na anyo ng enerhiya na sumisid sa walang laman na puwang - maaari nitong maitaboy ang lahat ng mga masa na ito at hawakan ang statistang Uniberso. Pipigilan nito ang isang pagbagsak ng gravitational. Sa pamamagitan ng pagdaragdag ng labis na tampok na ito, maaaring gawin ng Einstein ang Uniberso sa isang malapit na pare-pareho na estado para sa lahat ng kawalang-hanggan.

Ngunit hindi lahat ay napakasalan sa ideya na ang Universe ay kailangang maging static. Ang isa sa mga unang solusyon ay sa pamamagitan ng isang pisiko na nagngangalang Alexander Friedmann. Ipinakita niya na kung hindi mo naidagdag ang sobrang kosmolohikal na pare-pareho, at mayroon kang isang Uniberso na napuno ng anumang masigla - bagay, radiation, alikabok, likido, atbp - mayroong dalawang klase ng mga solusyon: ang isa para sa isang nagkontrata na Uniberso at isa para sa isang lumalawak na Uniberso.

Ang modelong 'raisin bread' ng lumalawak na Uniberso, kung saan tataas ang mga malapit na distansya habang lumalawak ang espasyo (kuwarta). Ang higit na malayo sa anumang dalawang pasas ay mula sa isa't isa, mas malaki ang naobserbahang redshift ay sa oras na natanggap ang ilaw na ito. (NASA / WMAP SCIENCE TEAM)

Sinasabi sa iyo ng matematika ang tungkol sa mga posibleng solusyon, ngunit kailangan mong tumingin sa pisikal na Uniberso upang malaman kung alin sa mga ito ang naglalarawan sa amin. Iyon ay dumating noong 1920s, salamat sa gawa ni Edwin Hubble. Si Hubble ang unang natuklasan na ang mga indibidwal na bituin ay maaaring masukat sa iba pang mga kalawakan, na tumutukoy sa kanilang distansya.

Halos kasabay nito ay ang gawain ni Vesto Slipher. Ang mga atom ay gumagana sa lahat ng dako sa Uniberso: sumisipsip sila at naglalabas ng ilaw sa tiyak, mga tiyak na dalas na nakasalalay sa kung paano nasasabik ang kanilang mga electron o nasasabik. Kapag tiningnan niya ang mga malalayong bagay - na alam natin ngayon na iba pang mga kalawakan - ang kanilang mga lagda ng atomic ay inilipat sa mas mahabang haba ng haba kaysa maipaliwanag.

Kapag pinagsama ng mga siyentipiko ang dalawang obserbasyong ito, isang hindi kapani-paniwala na resulta ang lumabas.

Ang isang balangkas ng maliwanag na rate ng pagpapalawak (y-axis) kumpara sa distansya (x-axis) ay naaayon sa isang Uniberso na mas mabilis na lumawak sa nakaraan, ngunit lumalawak pa rin ngayon. Ito ay isang modernong bersyon ng, na umaabot ng libu-libong beses na mas malayo kaysa sa orihinal na gawa ni Hubble. Ang iba't ibang mga kurba ay kumakatawan sa mga Unibersidad na gawa sa iba't ibang mga sangkap ng nasasakupan. (NED WRIGHT, BATAYAN SA PINAKA LABING DATA MULA SA BETOULE AND AL. (2014))

Mayroong dalawang paraan lamang upang maunawaan ito. Alinman:

  1. ang lahat ng kapamanggitan ay mali, nasa gitna kami ng Uniberso, at lahat ay gumagalaw sa amin, o
  2. ang kapamanggitan ay tama, si Friedmann ay tama, at ang mas malayo ang isang kalawakan ay mula sa amin, sa average, ang mas mabilis na lumitaw mula sa aming pananaw.

Sa isang pagbagsak ng isang nahulog, ang nagpalawak na Uniberso ay nagmula sa pagiging isang ideya upang maging nangungunang ideya na naglalarawan sa ating Uniberso. Ang paraan ng pagpapalawak ng trabaho ay isang maliit na counterintuitive. Ito ay parang ang tela ng espasyo mismo ay nakakakuha ng kahabaan sa paglipas ng panahon, at ang lahat ng mga bagay sa loob ng puwang na ito ay nai-drag na hiwalay sa isa't isa.

Ang mas malayo ang layo ng isang bagay ay mula sa isa pa, ang higit na "pag-uunat" ay nangyayari, at sa gayon ang mas mabilis na lumilitaw na lumala mula sa bawat isa. Kung ang lahat ng mayroon ka ay isang Uniberso na puno ng pantay-pantay at pantay-bagay sa bagay, ang bagay na iyon ay makakakuha lamang ng mas maliit na siksik at makikita ang lahat na mapalawak ang layo mula sa lahat ng bagay habang ang oras ay nagpapatuloy.

Ang malamig na pagbabago (ipinapakita sa asul) sa CMB ay hindi likas na mas malamig, ngunit sa halip ay kumakatawan sa mga rehiyon kung saan mayroong isang mas malaking gravitational pull dahil sa isang mas malaking density ng bagay, habang ang mga hot spot (na pula) ay mas mainit lamang dahil ang radiation sa ang rehiyon na iyon ay nabubuhay sa isang mabibigat na gravitational well. Sa paglipas ng panahon, ang labis na labis na mga rehiyon ay mas malamang na lumago sa mga bituin, kalawakan at kumpol, habang ang mga rehiyon ng pag-aalinsangan ay mas malamang na gawin ito. (EM HUFF, ANG TEKSTO NG SDSS-III AT ANG TANONG POLE TELESCOPE TEAM; GRAPHIC NI ZOSIA ROSTOMIAN)

Ngunit ang Uniberso ay hindi perpekto kahit at pantay. Mayroon itong labis na labis na rehiyon, tulad ng mga planeta, bituin, kalawakan at kumpol ng mga kalawakan. Mayroon itong underdense na mga rehiyon, tulad ng mahusay na mga kosmikong voids kung saan halos walang napakalaking mga bagay na naroroon.

Ang dahilan para dito ay mayroong iba pang mga pisikal na phenomena na nilalaro bukod sa pagpapalawak ng Uniberso. Sa maliit na mga kaliskis, tulad ng mga kaliskis ng mga nabubuhay na nilalang at sa ibaba, ang mga puwersa ng elektromagnetiko at nukleyar ay namamayani. Sa mas malaking kaliskis, tulad ng mga planeta, mga solar system at mga kalawakan, ang mga puwersa ng gravitational ay mangibabaw. Ang malaking kumpetisyon ay nangyayari sa pinakamalaking scale ng lahat - sa sukat ng buong Uniberso - sa pagitan ng pagpapalawak ng Uniberso at ang gravitational na akit ng lahat ng bagay at enerhiya na naroroon sa loob nito.

Sa pinakamalaking pinakamalaking kaliskis, lumalawak ang Uniberso at mga galaxies na umatras mula sa bawat isa. Ngunit sa mas maliit na mga kaliskis, ang gravitation ay nagtagumpay sa pagpapalawak, na humahantong sa pagbuo ng mga bituin, kalawakan at kumpol ng mga kalawakan. (NASA, ESA, AT A. ANAK (STSCI))

Sa pinakamalaking scale ng lahat, ang panalo ng paglawak. Ang pinaka-malayong mga kalawakan ay lumalawak nang napakabilis na walang mga senyas na ipinadadala namin, kahit na sa bilis ng ilaw, ay makakarating sa kanila.

Ang mga supercluster ng Uniberso - ang mahaba, filamentaryong mga istrukturang ito na may mga kalawakan at lumalawak sa loob ng isang bilyong ilaw na taon - ay iniuunat at iginuhit ng pagpapalawak ng Uniberso. Sa medyo maikling termino, sa susunod na ilang bilyong taon, titigil sila sa pagkakaroon. Kahit na ang pinakamalapit na malalaking kalawakan ng Milky Way, ang kumpol ng Virgo, sa 50 milyon lamang na light years ang layo, ay hinding-hindi kami hilahin dito. Sa kabila ng isang gravitational pull na higit sa isang libong beses na kasing lakas ng ating sarili, ang pagpapalawak ng Uniberso ay magdadala sa lahat ng ito bukod.

Ang isang malaking koleksyon ng maraming libu-libong mga kalawakan ay bumubuo sa aming kalapit na kapitbahayan sa loob ng 100,000,000 light years. Ang kumpol ng Virgo mismo ay mananatiling nakagapos, ngunit ang Milky Way ay magpapatuloy na palawakin ang layo mula dito habang tumatagal ang oras. (WIKIMEDIA COMMONS USER ANDREW Z. COLVIN)

Ngunit mayroon ding mga mas maliit na mga kaliskis kung saan ang paglawak ay napagtagumpayan, hindi bababa sa lokal. Madali itong talunin ang pagpapalawak ng Uniberso sa mas maliit na kaliskis ng distansya, dahil ang puwersa ng gravitational ay may mas maraming oras upang mapalago ang labis na labis na mga rehiyon sa mas maliit na kaliskis kaysa sa mas malaki.

Malapit sa, ang kumpol ng Virgo mismo ay mananatiling mahigpit na mahigpit. Ang Milky Way at lahat ng mga lokal na galax ng pangkat ay mananatiling magkatabi, na kalaunan ay pinagsama ang ilalim ng kanilang sariling gravity. Ang Earth ay umiikot sa Araw sa parehong orbital na distansya, ang Daigdig mismo ay mananatiling pareho ng laki, at ang mga atomo na bumubuo sa lahat ng bagay dito ay hindi mapapalawak.

Bakit? Dahil ang pagpapalawak ng Uniberso ay mayroon lamang epekto kung saan ang isa pang puwersa - kung gravitational, electromagnetic o nuklear - ay hindi pa ito nalampasan. Kung ang ilang puwersa ay maaaring matagumpay na magkasama ng isang bagay, kahit na ang lumalawak na Uniberso ay hindi makakaapekto sa isang pagbabago.

Ang sistema ng TRAPPIST-1 kumpara sa mga planeta ng solar system at buwan ng Jupiter. Ang mga orbit ng lahat ng ipinapakita dito ay hindi nagbabago sa pagpapalawak ng Uniberso, dahil sa umiikot na puwersa ng grabidad na daig ang anumang mga epekto ng pagpapalawak na iyon. (NASA / JPL-CALTECH)

Ang dahilan para sa ito ay banayad, at nauugnay sa katotohanan na ang pagpapalawak mismo ay hindi isang puwersa, ngunit sa halip isang rate. Ang espasyo ay talagang nagpapalawak sa lahat ng mga kaliskis, ngunit ang pagpapalawak ay nakakaapekto lamang sa mga bagay na pinagsama. Mayroong isang tiyak na bilis na ang puwang ay mapalawak sa pagitan ng anumang dalawang puntos, ngunit kailangan mong ihambing ang bilis na iyon sa tulin ng pagtakas sa pagitan ng dalawang bagay na iyon, na kung saan ay isang sukatan ng kung paano mahigpit o maluwag na pinagsama sila.

Kung mayroong isang puwersa na nagbubuklod ng mga bagay na magkasama na mas malaki kaysa sa bilis ng pagpapalawak ng background, walang pagtaas sa distansya sa pagitan nila. Kung walang pagtaas sa distansya, walang mabisang pagpapalawak. Sa bawat instant, ito ay higit pa sa kinontrata, at sa gayon ay hindi kailanman makakakuha ito ng mga additive na epekto na nagpapakita sa pagitan ng mga walang hanggan na bagay. Bilang isang resulta, ang matatag, nakatali na mga bagay ay maaaring mabuhay ng hindi nagbabago nang walang hanggan sa lumalawak na Uniberso.

Kung nakatali sa pamamagitan ng grabidad, electromagnetism o anumang iba pang puwersa, ang mga sukat ng matatag, gaganapin-magkasama na mga bagay ay hindi magbabago kahit na lumalawak ang Uniberso. Kung malalampasan mo ang pagpapalawak ng kosmiko, mananatili kang walang hanggan. (NASA, NG LUPA AT MARS TO SCALE)

Hangga't ang Universe ay may mga pag-aari na sinusukat natin ito, mananatili itong kaso magpakailanman. Maaaring umiiral ang madilim na enerhiya at maging sanhi ng malalayong mga kalawakan upang mapabilis ang layo sa amin, ngunit ang epekto ng paglawak sa isang takdang distansya ay hindi kailanman tataas. Sa kaso lamang ng isang kosmikong "Big Rip" - na ang mga katibayan ay tumuturo sa malayo, hindi patungo - magbabago ang konklusyon na ito.

Ang tela ng espasyo mismo ay maaari pa ring magpalawak sa lahat ng dako, ngunit wala itong masusukat na epekto sa bawat bagay. Kung ang ilang lakas ay sama-samang mahigpit na sapat, ang pagpapalawak ng Uniberso ay walang epekto sa iyo. Nasa pinakamalaking scale lamang ng lahat, kung saan ang lahat ng mga puwersa na nagbubuklod sa pagitan ng mga bagay ay masyadong mahina upang talunin ang mabilis na rate ng Hubble, ang pagpapalawak ay nangyayari sa lahat. Tulad ng inilagay ito ng pisika na si Richard Presyo, "Maaaring kumalat ang iyong baywang, ngunit hindi mo ito masisisi sa pagpapalawak ng uniberso."

Ang Starts With A Bang ay nasa Forbes na ngayon, at nai-publish sa Medium salamat sa aming mga tagasuporta ng Patreon. Mayroong akda si Ethan ng dalawang libro, Beyond The Galaxy, at Treknology: Ang Science of Star Trek mula sa Tricorder hanggang Warp Drive.