تصور الفنان لوغاريتمي على نطاق الكون المرئي. تفسح المجرات المجال لهيكل واسع النطاق والبلازما الساخنة الكثيفة للبيج بانج في الضواحي. رصيد الصورة: بابلو كارلوس بوداسي (Unmismoobjetivo) بموجب ترخيص c.c.a.-s.a.-3.0.

هل يمكن للكون أن يتوسع أسرع من سرعة الضوء؟

ذلك يعتمد حيث تنظر. الجواب رائع نسبيا!

"إذا بدا كل شيء تحت السيطرة ، فلن تسير بسرعة كافية."
ماريو أندريتي

أحد أشهر قوانين أينشتاين الأساسية هو أنه لا يوجد شيء في الكون يمكنه السفر بشكل أسرع من سرعة الضوء في الفراغ. إذا كنت جسيمًا عديم الكتلة ، فيجب أن تسير بهذه السرعة ، وإذا كان لديك كتلة غير صفرية ، فمن المستحيل أن تحصل على هذه السرعة ، بغض النظر عن مقدار الطاقة التي تضخها. والأكثر إثارة للدهشة وبديهية هو: إذا كان الجسيم الذي يتحرك قريباً من سرعة الضوء يطلق جسيمًا آخر يتحرك بالقرب من سرعة الضوء ، فإنه لا يتحرك بمعدل ضعف سرعة الضوء تقريبًا. في الواقع ، لا يزال حتى لا يصل إلى سرعة الضوء نفسه! لكن هذه القواعد تنطبق فقط ، بشكل صارم ، على الجسيمات في نفس المكان مثل بعضها البعض في الفضاء. في الكون الآخذ في التمدد - في الزمان المنحني عمومًا - تختلف القواعد اختلافًا كبيرًا. بناءً على كيفية مشاهدتك له ، فإن توسع الكون نفسه لا يرتبط بسرعة الضوء على الإطلاق.

كيف يكون هذا ممكنا؟ لنبدأ بسرعة الضوء ، وماذا يعني ذلك.

صورة timelapse للمجال العام بواسطة flickr user comedynose (Pete) ، توضح الحركة النسبية السريعة. تم استرداد الصورة عبر https://www.flickr.com/photos/comedynose/23696582553.

لا يهم أين أنت أو ما أنت عليه ، هناك حد مطلق لسرعة التحرك في الفضاء. قد تعتقد أنه من خلال إنفاق المزيد والمزيد من الطاقة ، يمكنك جعل نفسك تتحرك بشكل أسرع ... وفي حين أن هذا صحيح ، إلا أنه صحيح إلى حد ما. إذا كنت تتحرك بسرعة بضعة أمتار في الساعة ، أو بضعة كيلومترات في الساعة ، أو حتى بضعة كيلومترات في الثانية ، مثلما تدور الأرض حول الشمس ، فمن المحتمل ألا تلاحظ الحواجز الموجودة أمام التحرك بسرعة لا حصر لها. لكنها موجودة كل نفس ، ولكن بمهارة. كما ترون ، كلما تحركت بشكل أسرع - كلما ازدادت حركتك عبر الفضاء - كلما أصبحت الحركة أبطأ بمرور الوقت. تخيل أنك كنت مستريحًا تمامًا على سطح الأرض ، وكان لديك صديق بدأ معك ، أيضًا في الراحة ، ولكن بعد ذلك أقلعت في طائرة للتجول في جميع أنحاء العالم. قبل أن تغادر أنت وصديقك ، تقوم أنت بمزامنة الساعات ، وصولاً إلى الميكروثانية.

إذا كانت لديك ساعة حساسة بدرجة كافية ، فستجد أنه - عندما أكمل صديقك رحلته وعاد إليك - كانت ساعاتك متزامنة قليلاً مع بعضها البعض. ستعرض ساعتك وقتًا متأخرًا جدًا قليلاً عن وقت صديقك ، على الأرجح بعشرات من مايكروثانية فقط ، لكن مختلفة بما يكفي بحيث يكون القياس الدقيق قادراً على تمييزها عن بعضها البعض.

وأسرع تذهب ، يصبح الفرق أكثر وضوحا.

الصورة الائتمان: ناسا ، من محطة الفضاء الدولية ، من عاصفة البرق وأضواء المدينة في الليل.

يرى رواد الفضاء في محطة الفضاء الدولية ، وهم يتجولون حول الأرض في غضون 90 دقيقة فقط ، أن ساعاتهم تسير ببطء أبطأ ؛ عند العودة إلى الأرض ، يكون الفرق في مقدار الوقت المنقضي ملحوظًا حتى مع الساعات التقليدية. الأمر الغريب هو أنه ليس فقط الساعات التي تعمل بشكل مختلف بسبب السرعات العالية التي نتعامل معها ، ولكن الوقت نفسه يمر بمعدل مختلف.

حقيقة أن الساعات والساعات تعمل بشكل أبطأ بسرعات عالية ليست سوى أثر من الظاهرة الأوسع نطاقا التي ترتبط بين الزمان والمكان ، وأن حركة أسرع عبر الفضاء تعني حركة أبطأ عبر الزمن. العلاقة بين الاثنين - الزمان والمكان - تعطى بواسطة سرعة الضوء. كلما اقتربت من سرعة الضوء ، كلما اقترب مرور الوقت من الصفر.

وهذا هو السبب في أن الميون ، وهو جسيم غير مستقر بعمر متوسط ​​لا يتعدى دقيقتين فقط ، يمكن تكوينه في الجزء العلوي من الغلاف الجوي بسرعات قريبة جدًا من سرعة الضوء ، ويمكنه الوصول إلى الطريق وصولًا إلى سطح الأرض. إنها رحلة تبلغ حوالي 100 كيلومتر ، بينما إذا كانت تتحرك فقط على مسافة 300000 كم / ثانية (سرعة الضوء) لـ 2.2 ميكروثانية ، فسوف تتحلل بعد عبورها 0.6٪ فقط من المسافة اللازمة. السبب الذي يجعل الميون يمكن أن يصل إلى سطح الأرض - وإذا صمدت يدك ، يمر حوالي واحد من الميون عبره كل ثانية - بسبب تأثير النسبية.

مجموعة المجرات كوما ، المجرة الأكثر كثافة والأغنى من المجرات الواقعة في مكان قريب ، على بعد 330 مليون سنة ضوئية. ائتمان الصورة: آدم بلوك / جبل ليمون سكاي سنتر / جامعة أريزونا ، تحت عنوان c-by-s.a.-3.0.

إذن ما هو الكون الموسع؟ أنت تعلم أنه إذا نظرت إلى مجرة ​​، في المتوسط ​​، كلما كانت تلك المجرة بعيدة عنا ، كلما بدا تراجعا أسرع منا. المجرات في برج العذراء ، على بعد حوالي 50 إلى 60 مليون سنة ضوئية ، تبتعد عنا حوالي 1200 كم / ثانية في المتوسط ​​؛ يبدو أن المجرات في كوما كلاستر ، التي تبعد حوالي 330 مليون سنة ضوئية ، تتراجع عنا بسرعة 7000 كم / ثانية.

كلما نظرنا بعيدًا ، كلما تراجعت هذه المجرات والمجموعات بشكل أسرع. بالتأكيد ، هناك اختلافات صغيرة من بضع مئات أو حتى ألف كم / ثانية بسبب الحركات المحلية وتأثير عمليات الجاذبية القريبة ، ولكن على أكبر المقاييس - وعلى مسافات أكبر - يمكننا أن نرى أننا ننظر أبعد ، أسرع هذه المجرات تتحرك بعيدا عنا. هذه الملاحظة ، التي أدلى بها لأول مرة إدوين هابل نفسه في العشرينات من القرن الماضي ، هي ما يثير قانون هابل ، أو القانون الذي يحكم توسع الكون. مع أفضل الملاحظات الحديثة المتوفرة لدينا ، يستمر هذا القانون لمليارات السنوات الضوئية في جميع الاتجاهات.

رصيد الصورة: Ned Wright ، استنادًا إلى أحدث البيانات من Betoule et al. (2014) ، عبر http://www.astro.ucla.edu/~wright/sne_cosmology.html.

"انتظر" ، يمكنني سماعك الاحتجاج. "ماذا عن سرعة الضوء؟" في الواقع ، ماذا عن سرعة الضوء؟ من المؤكد أن هذا الحاجز غير المرئي - الذي يمنع جميع أشكال المادة من تجاوز سرعة معينة - من شأنه أن يدخل ، ويمنع المجرات من الانحسار إلى ما بعد نقطة معينة ، أليس كذلك؟ سوف ينقضي الوقت وينفد بمرور الوقت الذي تقترب فيه من هذه السرعة ، ويمنع إلى الأبد من المرور بمعدل أقل من الصفر ، وإلا فإن هذه المجرات ستعود في الوقت المناسب ، أليس كذلك؟

قد تعتقد ذلك ، لكننا استبعدنا قطعة مهمة من اللغز. تنطبق سرعة الضوء فقط ، كحد أقصى ، على الأجسام المتحركة بالنسبة لبعضها البعض في نفس المكان في الفضاء.

توأمان متطابقان ، قائد ناسا إكسبيديشن 45/46 ، رائد الفضاء سكوت كيلي مع شقيقه ، رائد الفضاء السابق مارك كيلي في مركز جونسون للفضاء. قضى سكوت عامًا في الفضاء على متن محطة الفضاء الدولية ، بينما بقي مارك على الأرض. الصورة الائتمان: ناسا / روبرت ماركويتز.

عندما غادر صديقك في طائرته وعاد مع ساعته خلف طائرتك ، كان ذلك لأنك التقيت مرة أخرى في نفس الموقع. عندما عاد رواد الفضاء إلى الأرض ، وكانت رحلتهم أقصر من رحلتك بعدة ثوان ، كان ذلك لأنك انتهيت في نفس المكان. حتى الميون ، الذي يتحرك بالقرب من سرعة الضوء ، سافر نسبة إلى إطار المرجع الخاص بك هنا على الأرض ، ولهذا السبب كانت آثاره ملحوظة.

ولكن هناك في الكون البعيد ، هذه المجرات لا تتحرك حقًا على الإطلاق. بدلاً من ذلك ، تتسع المساحة بينهما ، لكن المجرات الفردية نفسها ثابتة إلى حد ما فيما يتعلق بالفضاء نفسه.

قد لا تكون متأكدًا من ذلك باعتباره مجرد تنبؤ نظري ، ولكن هناك اختبارًا يمكنك إجراؤه: من خلال النظر في هذه المجرات البعيدة وقياس انزياحاتها الحمراء ومسافاتها ، يمكنك التحقق من كيفية تحركها في مسافات هائلة مقابل التوقعات التي تحدثها النسبية.

كما ترى ، تأتي النسبية في شكلين: النسبية الخاصة ، التي توجد في الفضاء الثابت والساكن وفقط حركة الكائنات عبر الفضاء والزمن ، والنسبية العامة ، حيث يتطور الفضاء نفسه و / أو العقود مع مرور الوقت ، مع المسألة و - تحديد الطاقة انحناء الزمكان ، والنسبية الخاصة الموجودة فوقها. هنا كيف تختلف التنبؤين.

النسبية الخاصة (منقط) والتنبؤات النسبية العامة (الصلبة) للمسافات في الكون المتسع. بالتأكيد ، توقعات GR فقط هي التي تطابق ما نلاحظه. رصيد الصورة: مستخدم ويكيميديا ​​كومنز Redshiftimprove.

مثيرة للغاية ، أليس كذلك؟ كما اتضح ، فإن ملاحظاتنا تؤيد بشكل قاطع التفسير النسبي العام ، وتستبعد تمامًا التفسير الذي يكون فيه الفضاء ثابتًا. إذن ماذا يعني هذا ، عندما نجمع كل شيء معًا؟ ماذا يعني الكون المتوسع لدينا ، حتى عندما نضيف طاقة مظلمة في هذا المزيج؟

وهذا يعني أنه مع مرور الوقت ، فإن الضوء المنبعث من المجرات البعيدة يتحول بشدة نحو الجزء الأحمر من الطيف ، مما يؤدي إلى انزياح أحمر كوني. هذا يعني أن هناك بعض أجزاء الكون بعيدة جدًا لدرجة أن الضوء المنبعث منها لن يكون قادرًا على الوصول إلينا. في الوقت الحالي ، لا تتجاوز هذه النقطة ما يقرب من 46.1 مليار سنة ضوئية منا ، بالنظر إلى عالمنا ، إلى أفضل ما يمكننا قياسه ، لقد مر حوالي 13.8 مليار سنة منذ الانفجار الكبير.

وهذا يعني أن أي كائن يتجاوز حوالي 4.5 Gigaparsecs (أو من 14 إلى 15 مليار سنة ضوئية) لن يكون متاحًا من قبلنا ، أو أي شيء نفعله ، من هذه النقطة إلى الأمام. كل هذه الأشياء - الكائنات التي تشكل 97 ٪ من الكون المرئي من حيث الحجم - كلها في متناولنا في الوقت الحاضر. حتى الفوتون المنبعث الآن ، لن يصل إليهم أبدًا ، إذا كانت هذه هي وجهتنا.

ائتمان الصورة: ناسا ، ESA ، J. Jee (جامعة كاليفورنيا ، ديفيز) ، J. Hughes (جامعة Rutgers) ، F. Menanteau (جامعة Rutgers وجامعة إلينوي ، Urbana-Champaign) ، C. ر. ماندلبوم (جامعة كارنيجي ميلون) ، ل. باريينتوس (جامعة كاتوليكا دي شيلي) ، وك. نغ (جامعة كاليفورنيا ، ديفيز).

لذا ، نعم ، مع مرور الوقت ، فإن جميع الكائنات التي يتم اللحاق بها في توسع الكون سوف تتسارع بعيداً عنا ، أسرع وأسرع. اترك وقتًا كافيًا ، وسينتهي بهم جميعًا في النهاية للانحسار بشكل أسرع من سرعة الضوء ، ولا يمكن الوصول إليهم من حيث المبدأ ، بغض النظر عن مدى سرعة إطلاق الصاروخ أو عدد الإشارات التي نطلقها وسرعة الضوء نفسه. الشيء الوحيد الذي يمكننا القيام به حيال ذلك؟

ابدأ في السفر بين المجرات بأسرع ما يمكن ، قبل أن يفوت الأوان. الكون الموجود لدينا اليوم يختفي بفضل التوسع المتسارع للفضاء. على الرغم من عدم تحرك أي كائن عبر نسيج الفضاء نفسه بشكل أسرع من سرعة الضوء ، لا يوجد حد للسرعة على تمدد النسيج نفسه ؛ هو ببساطة يفعل كما يملي الكون.

ظهر هذا المنشور لأول مرة في فوربس ، ويتم إحضاره لك مجانًا من قبل مؤيدي باتريون. التعليق على منتدانا ، وشراء كتابنا الأول: ما وراء المجرة!