Ar Visata plečiasi greičiau už šviesą?

Neretai girdime astrofizikus ir kosmologus sakant, kad itin tolimi Visatos regionai tolsta nuo mūsų greičiau už šviesą. Bet ką tai reiškia? Ar jie nori pasakyti, kad Visatoje yra objektų, galinčių viršyti vieną iš fundamentaliųjų Visatos dydžių?

Kurdamas Specialiąją reliatyvumo teoriją, Einšteinas suvokė pačią svarbiausią fizikos idėją — niekas negal judėti greičiau už šviesą. Masės neturinčios dalelės vakuume juda šviesos greičiu, tuo tarpu visa kita — masę turinčios dalelės bet kur ar masės neturinčios dalelės kokioje nors aplinkoje — visada judės lėčiau už šviesos greitį. Tačiau kalbant apie Visatos plėtimąsi, dažnai kyla minčių, kad tai vyksta didesniu už cc greičiu. Pasiaiškinkime, ar iš tiesų taip.

Tokia Visata, kokią dabar regime, egzistuoja jau maždaug 13,8 milijardus metų — nuo karšto Didžiojo sprogimo momento. Bet jeigu paklausite, kaip toli į bet kurią pusę galime matyti, atsakymas bus ne 13,8 mlrd. šviesmečių, o gerokai daugiau. Pagalvojus, galima manyti, kad atstumas dvigubai didesnis: jei prieš 13,8 mlrd. metų objektas šviesą spinduliavo, būdamas nuo „mūsų“ už 13,8 mlrd. šviesmečių, tai jis šviesą veikiausiai spinduliavo toldamas — gal netgi artimu šviesai greičiu. Jei ryškus objektas egzistavo taip seniai ir nuolat tolo nuo mūsų 299792km/s299792km/s greičiu, jo šviesa mus pasiektų tik dabar, nors pats objektas jau būtų už 27,6 mlrd. šviesmečių. Visa tai skamba logiškai, tačiau gali sukelti ne itin gerą prielaidą, kad pati erdvė yra statiška.

Erdvė, kurioje gyvename nėra statiška — jiplečiasi. Negana to, galime išmatuoti dabartinį plėtimosi greitį, koks jis buvo tolimoje praeityje ir koks – visomis „tarpinėmis“ epochomis. Pasirodo, objekto, Didžiojo sprogimo momentu (na, gerai, praėjus 10−3310−33sekundėms nuo DS), buvusio nuo mūsų vos už 168 metrų, šviesa mus pasiektų tik dabar, po 13,8 mlrd. metų, po neįtikėtinos kelionės ir nerealiai ištęsta, o pats objektas dabar būtų už 46,1 mlrd. šviesmečių.

Visatos evoliucija nuo Didžiojo sprogimo momento, remiantis standartiniu kosmologiniu modeliu 
©NASA / GSFC

„Aha! — šūktelsite. — Vadinasi, erdvė plėtėsi greičiu, viršijusiu šviesos greitį!“

Ar tikrai? Tam, kad kažkas judėtų greičiau už šviesą, privalo turėti greičio savybę: kažką, ką galima išmatuoti, tarkime, kilometrais per sekundę. Tačiau Visata plečiasi visai ne taip.

Ji plečiasi greičiu atstumo vienetui. Įprastai tai matuojama kilometrais per sekundę megaparsekui, kur megaparsekas ~3,26 mln. šviesmečių. Jei plėtimosi greitis yra 70 km/s/Mpc, tai reiškia, kad objektas, esantis už 10 Mpc, mūsų požiūriu, tolsta 700 km/s greičiu, esantis už 200 Mpc — 14 000 km/s, o jeigu iki objekto 5000 Mpc, mums atrodys, kad jis tolsta 350 000 km/s greičiu.

Bet ar tai reiškia, kad kažkokie objektai juda greičiau už šviesą? Grįžkime prie Specialiosios reliatyvumo teorijos ir pamąstykime, kas turima omeny, kai sakoma, kad niekas negali judėti greičiau už šviesą. Tai reiškia, kad viename erdvėlaikio įvykyje esantys objektai – tuo pačiu metu esantys toje pačioje erdvėje, — vienas kito atžvilgiu negali judėti greičiau už šviesą. Net jei vienas objektas juda į šiaurę 99 % šviesos greičio, o kitas tokiu pačiu greičiu – į pietus, tarpusavio atžilgiu jų greitis bus ne 198 % šviesos greičio, o 99,995 % šviesos greičio. Nesvabu, kokiu greičiu jie vienas kito atžvilgiu juda, — vienas kito atžvilgiu greičiau už šviesą jie judėti negali.

Regimoji Visata mūsų atžvilgiu visomis kryptimis gali siekti 46 mlrd. šviesmečių, tačiau už jos ribų yra sritis, kurios stebėti negalime. 46 mlrd. šviesmečių – tai tik mūsų stebėjimo riba 
©Frédéric MICHEL/Andrew Z. Colvin

Būtent todėl tai ir vadinama reliatyvumu: matuojamas santykinis dviejų objektų greitis viename erdvėlaiko taške. Tačiau SRT reliatyvumo tipas nustato nesplečiančios erdvės sritį. Bendroji reliatyvumo teorija prideda dar vieną lygį: pačios erdvės plėtimąsi. Išmatavę įprastos materijos, tamsiosios materijos, tamsiosios energijos, spinduliavimo, neutrinų ir viso kito gėrio kiekį dabartinėje Visatoje, o taip pat iš visų pusių ir atstumų atsklindačios šviesos raudonąjį poslinkį dėl Visatos plėtimosi, galime suskaičiuoti, kokio dydžio Visata buvo bet kuriuo praeities momentu.

Kai Visatai buvo maždaug 10 tūkstančių metų, jos regimoji dalis siekė jau 10 milijonų šviesmečių. Per pirmąjį savo gimtadienį regimoji Visata buvo 100 tūkstančių šviesmečių dydžio. Vos vienos sekundės amžiaus ji jau buvo 10 šviesmčių dyd. Taip, panašu, lyg ji išties plečiasi greičiau už šviesą. Tačiau nė vienu laiko momentu nė viena dalelė kitos dalelės, su kuria sąveikavo, atžvilgiu, nejudėjo greičiau už šviesą.

Kuo tolimesnė galaktika, tuo greičiau ji nuo mūsų tolsta ir tuo labiau jos šviesa pasislinkusi į raudonąją spektro pusę, todėl matome vis ilgesnes bangas. Tam tikru atstumu galaktikos tampa nepasiekiamos netgi šviesos greičiu  ©Larry McNish/RASC Calgary Center

Atvirkščiai, plėtėsi pati erdvė tarp dalelių, dėl ko atstumas tarp jų didėjo, o spinduliuojamos bangos ilgėjo. Tai truko daug milijardų metų per visą kosmoso istoriją ir tebesitęsia dabar. Niekada negalėsime pasiekti jokių objektų, kuris dabar yra toliau nei 15,6 mlrd. šviesmečių, net jeigu judėtume šviesos greičiu (kas iš principo neįmanoma), ne dėl to, kad jie tolsta greičiau už šviesą, o todėl, kad erdvė tarp šių taškų plečiasi.

Svarbiausia išvada, kad erdvė plečiasi ne kokiu nors konkrečiu greičiu, o greičiu atstumo vienetui. Dėl to, kuo toliau yra stebimas objektas, tuo stipriau atstumą veikia erdvės plėtimasis. Kuo toliau yra objektas, tuo jis atrodys raudonesnis ir tuo greičiau stebėtojo požiūriu atrodys tolstantis. Bet ar greičiau už šviesą? Norint tai išmatuoti, reikia būti toje pačioje srityje. Jūsų buvimo vietos atžvilgiu niekas nejuda greičiau už šviesą, ir tas pats apsakytina apie bet kurį Visatos erdvės ir laiko tašką. Erdvė plečiasi, bet ne greičiau už šviesą, nes šis plėtimasis neturi greičio.