Kako da zamislimo širenje svemira?

Ako se svemir širi, u šta se širi?

Zamislimo pravu liniju, beskonačnu na levo i na desno, i na njoj podele kao na lenjiru.

Ako sada rastegnemo svaki segment da bude dva put veći, rastojanja između podeoka su se povećala. Linija se rastegla.

U šta se linija rastegla? U samu sebe.

Jer beskonačna linija nema krajeva pa je rastegnuta linija opet ta ista beskonačna linija.

Na sličan način možemo da zamislimo rastezanje ravne površine ili rastezanje svog trodimenzionalnog prostora. Svaka od tri ose se rastegne u samu sebe, svaka zapreminu u veću zapreminu, i sav beskonačni prostor u samog sebe.

Svemir se širi u samog sebe.

Ako se svemir širi, u odnosu na šta se širi?

Pogledajmo opet gornji crtež: svaki podeok je dalje nego pre od svakog drugog podeoka.

Na primer, ako se nalazimo u podeoku nula, vidimo da se svi drugi udaljavaju od nas. Ako se nalazimo u podeoku broj 17, vidimo da se svi drugi podeoci udaljavaju od nas. Svako od svakog.

Ne postoji dakle jedan centar širenja na beskonačnoj liniji koja se rasteže. Rastojanje raste između svake dve tačke. (Ovde postoji važno ograničenje koje je objašnjeno niže.)

Otkud znamo da ovaj prost crtež ima ikakve veze sa širenjem svemira?

Uz malo analize nije teško primetiti da ovakvo rastezanje linije, pa prema tome i rastezanje prostora, ima svojstvo da je relativna brzina udaljavanja dva podeoka proporcionalna njihovom međusobnom rastojanju. Pre skoro tačno jednog veka Žorž Lemetr je otkrio ovo svojstvo u matematičkim rešenjima Teorije relativnosti koja je našao Aleksandar Fridman. Zatim je Edvin Habl pokazao da ovaj zakon važi za naš svemir, koristeći svoja merenja rastojanja do galaksija i merenja njihovih brzina od strane Slajfera i Hamasona. Taj zakon, da sa naše tačke gledišta brzine udaljavanja galaksija od nas su proporcionalne njihovom rastojanju od nas, sada je poznat kao Hablov zakon koji interpretiramo kao posmatračku potvrdu gore opisane slike rastezanja prostora.

U šta se svemir širi ako prostor nije beskonačan?

Ako je svemir u nekom smislu konačan, onda ne može da ima granicu. Jer ako ima granicu onda nije „sve“, postoji nešto „iza granice“.

Tako da ako beskonačan prostor predstavljamo beskonačnom linijom, konačan svemir ne može da bude linija konačne dužine, jer ona ima krajeve. Ali možemo takav svemir da predstavimo kao kružnicu: njen obim je konačan, ali nema granicu.

Rastezanje takve kružnice daje samo veću kružnicu, i opet se svaki podeok na njoj udaljio od svakog drugog.

Poznatija verzija te slike je balon koji se širi.

Izvor.

Balon ima konačnu površinu ali ta površina nema granicu. Ako se balon širi svaka tačka na površini balona se udaljava od svake druge tačke. Balon se proširio u taj isti balon, samo sa većom, ali i dalje konačnom površinom.

Samo površina balona predstavlja svemir, pa se i u ovoj analogiji svemir proširio u samog sebe.

Ali mi vidimo da postoji prostor unutar i prostor izvan balona i da se balon širi u spoljašnji prostor!?

To je tačno kada crtamo kružnice ili balone jer drugačije ne možemo da nacrtamo.

Ali kada govorimo o širenju našeg svemira obim kružnice ili površina balona predstavljaju sav trodimenzionalni prostor.

„Poluprečnik“ takve kružnice ili takvog balona nije prostorna dimenzija, jer nema ih više, već četvrta dimenzija, vreme!

U tom smisli širenje „balona“ ilustruje širenje svemira. Površina takvog balona je sav trodimenzionalni prostor a njegov poluprečnik je vreme od početka širenja.

Unutar balona nije prostor, već prošlost našeg svemira, prošlost našeg prostora. Spoljašnost balona takođe nije prostor, već budućnost našeg svemira, budućnost našeg prostora.

Svaka veličina poluprečnika ovakvog „balona“ odgovara jednom momentu vremena. Površina balona sa tim poluprečnikom odgovara veličini našeg svemira u tom momentu vremena.

Zar nije centar ovog balona centar širenja?

Jeste! Ali ta „tačka“ nije tačka u prostoru: to je događaj kada je u jednom momentu sav prostor imao nultu zapreminu.

Taj događaj zovemo Veliki prasak (Big bang).

Jer svaka tačka u našem sadašnjem prostoru, na površini balona u sadašnjem momentu, po ovoj slici u prošlosti mora da je bila u centru širenja. Veliki prasak se dakle odigrao svuda u prostoru!

To je odgovor na pitanje gde se odigrao Veliki prasak: svuda u prostoru! Jeste, i tu gde svako od nas sada sedi.

Da li je Veliki prasak početak našeg svemira?

Došli smo do pojma Velikog praska ekstrapolacijom širenja svemira unazad. Pošto znamo kako se svemir širio u bliskoj prošlosti, takvom ekstrapolacijom može čak da se odredi i vreme od početka širenja, to jest starost svemira: 13,78 milijardi godina.

Međutim Veliki prasak je ipak besmislica! Jer po ovoj ekstrapolaciji unazad tada je sva materija sabijena na nultu zapreminu pa prema tome ima beskonačno veliku gustinu, što je fizički nemoguće.

Postoji više ideja kako je širenje svemira u početnoj fazi išlo po drugačijem zakonu nego u bliskoj prošlosti, tako da početno stanje nije imalo beskonačnu gustinu. Ali to je još uvek u domenu spekulativne kosmologije. Najveći i najplodniji deo modernih istraživanja je razumevanja kasnijih faza koje su dovele do ovakvog svemira koji vidimo. Ništa od toga ne zavisi direktno od „Velikog praska“!

Tako da na „Veliki prasak“ treba gledati samo kao na repernu tačku za početak računanja vremena.

Ako se svemir širi, zašto se širi? Drugim rečima, šta je uzrok Velikog praska?

To veliko pitanje još nema definitivan odgovor. Savremena kosmologija je počela pre skoro tačno jednog veka. U toku prvih pedesetak godina astronomi i fizičari su se skoncentrisali na bolje razumevanje samog širenja svemira. O samom početku nije moglo mnogo da se kaže, pa je ta tema ostavljena za budućnost.

Međutim već od sedamdesetih godina prošlog veka počele su da se pojavljuju spekulativne, ali motivisane modernom fizikom ideje o prirodi Velikog praska.  Među njima ističe se jedna od varijanti takozvane inflacione kosmologije, po kojoj je svemir nastao iz početne, vrlo kratke faze ubrzanog širenja.

To je velika i interesantna tema koja zahteva zasebnu pažnju.

A šta je postojalo pre Velikog praska?

Kao što vidimo sa slike gore, vreme je polu-prečnik „balona“ pa počinje tek od Velikog praska. Vreme ne postoji „pre“ Velikog praska, pa pitanje šta je postojalo „onda“ nema smisla.

To jest, stanje svemira koje je prethodilo Velikom prasku nije postojalo u vremenu!

Teorijski fizičari imaju nekoliko ideja o tome šta bi takvo stanje moglo da bude. Sve te interesantne teme i šeme imaju svoju osnovu u konceptima teorijske fizike ali za sada nemaju direktnih predviđanja koja mogu da se potvrde ili opovrgnu astronomskim posmatranjima ili fizičkim eksperimentima.

Da li naš svemir zaista ima geometriju kao balon (ili sfera) na slici gore?

Kvantna kosmologija predviđa da u svakom momentu naš svemir zaista ima konačnu zapreminu kao „trodimenzionalna sfera“, tako da se na izgled paralelne linije ipak seku.

 Teorija struna predskazuje da je zapremina našeg svemira beskonačna i da je zakrivljen kao sedlo, tako da se na izgled paralelne linije sve više udaljavaju jedna od druge.

A astronomska posmatranja pokazuju da naš svemir ima beskonačnu zapreminu ali i ravnu geometriju, da paralelne linije ostaju paralelne.

Posmatranja međutim uvek imaju svoja ograničenja, jer ne možemo da vidimo beskonačno daleko, pa ni jedna od tri mogućnosti nije suštinski isključena. Baš kao što Zemlja oko nas izgleda ravna, i to je sasvim dovoljno za praktične potrebe kao gradnja puteva ili brana, ali ako planiramo duži avionski let ili okeansko krstarenje onda mora da se uzme u obzir da Zemlja nije ravna.

Tako da iako svemir dokle god vidimo izgleda ravan fizičari najčešće crtaju balon jer tako je najlakše objasniti širenje i šta je Veliki prasak.

Ako se svemir širi, da li se „sve“ širi?

Ne! Na svim ovim crtežima širi se prostor između podeoka ili čvorova, ali ne šire se i sami čvorovi. Ako zamislimo da rastežemo ravnu geografsku mapu ili globus, to bi bilo kao da rastojanja između gradova na mapi rastu, ali svaki grad ostaje ceo na istoj geografskoj širini i dužini, i ne širi se, niti se u njemu šire kuće, ulice, itd.

Ako pogledamo sliku balona gore, vidimo da su kreatori pažljivo nacrtali da se povećava površina balona ali „dugmići“ na balonu ostaju iste veličine. To je korektna ilustracija.

U slučaju našeg svemira galaksije su ravnomerno raspoređene samo u srednjem. Njihova raspodela nije kao ravnomerni podeoci na osama koordinatne mreže. Tako da šta se tačno širi a šta ne zavisi od slučaja do slučaja.

Najveće strukture koje se ne šire su grupe i kompaktnija jata galaksija. Širi se prostor između njih, kao i dugački lanci galaksija ili takozvana superjata,  ali ne i same grupe ili jata.

Izvor: http://www.atlasoftheuniverse.com/virgo.html

Na ovoj ilustraciji naša grupa galaksija, označena kao „Local Group,“nalazi se u centru slike.  Messier i NGC oznake zapravo označavaju manje grupe galaksija oko galaksije sa tom oznakom. Te grupe se ne šire, ali njihova međusobna rastojanja se povećavaju.

Na primer, rastojanje raste između naše grupe i M101 grupe. Ogromno jato Device (Virgo cluster) se takođe rasteže usled širenja svemira. Ali galaksije unutar naše „Lokalne grupe“ ne udaljavaju se jedna od druge. Galaksije unutar „grupe M101“ ne udaljavaju se jedna od druge. Itd.

U tom smislu ne udaljava se baš „svaka galaksija od svake galaksije“.

Šta sprečava širenje galaksija i grupa galaksija?

Međusobna gravitacija! U slučaju grupe galaksija, to je međusobno gravitaciono privlačenje galaksija u grupi. U slučaju individualnih galaksija razlog je međusobno gravitaciono privlačenje zvezda, oblaka gasa i čestica „tamne materije“ koje prožimaju svaku galaksiju.

Ne šire se ni planete, zbog sopstvene gravitacije a ne širimo se ni mi sami, niti molekuli  i atomi unutar nas jer tu su i privlačne sile između atoma i molekula.

Šire se samo objekti koji nisu dovoljno kompaktni, objekti čija srednja gustina je ispod takozvane kritične gustine određene trenutnom brzinom širenja svemira.

Kako je dakle najlakše zamisliti širenje svemira?

Kada čitamo vesti koje pominju širenje svemira, slika koja najviše pomaže je ona sa balonom koji se širi. U stvari nije neophodno zamisliti sav balon, već samo jedan segment  jer naša posmatranja pokrivaju relativno skorašnju fazu. Kao kad smo na Zemlji pa vidimo samo do horizonta.