Расширяется ли Вселенная быстрее скорости света

Нередко можно услышать заявления астрофизиков и космологов о том, что крайне далекие регионы Вселенной отдаляются от нас быстрее скорости света. Но что именно это значит? Имеют ли они в виду то, что во Вселенной есть объекты, способные превысить одну из самых фундаментальных величин.

Самый фундаментальный закон Специальной теории относительности в свое время привел Эйнштейна к осознанию самой прорывной идеи в физике — о том, что ничто не может двигаться быстрее света. Безмассовые частицы в вакууме движутся со скоростью света, тогда как все остальное — частица с массой где-либо или безмассовая частица в среде — будут всегда двигаться медленнее скорости света. Но когда разговор заходит о расширении Вселенной, часто возникают мысли о том, что это происходит быстрее скорости света. Попробуем разобраться, так ли это.

Вселенная, какой мы ее видим сегодня, существует уже примерно 13,8 миллиарда лет — со времен горячего Большого взрыва. Но если вы спросите, как далеко мы можем смотреть в какую-либо сторону, то ответ будет не 13,8 миллиарда световых лет, а гораздо больше. Если задуматься, то можно представить расстояние вдвое большее: если объект, излучающий свет, находился от «нас» в 13,8 миллиарда световых лет 13,8 миллиарда лет назад, то он, скорее всего, излучал свет, отдаляясь от нас — возможно, даже со скоростью, близкой к световой. Если яркий объект существовал так давно и постоянно двигался от нас со скоростью 299 792 километра в секунду, его свет достиг бы нас только сейчас, хотя сам объект уже был бы в 27,6 миллиарда лет от нас. Все это звучит разумно, но может привести нас к не очень хорошему предположению о том, что само пространство статично.

Пространство, в котором мы живем, не статично — оно расширяется. Более того, мы можем измерить сегодняшнюю скорость расширения, какой она была в далеком прошлом и какой она была во все «промежуточные» эпохи. Оказывается, свет объекта, находившегося от нас всего в 168 метрах в момент Большого взрыва (ладно, 10-33секунд после Большого взрыва), достиг бы нас только сегодня, спустя 13,8 миллиарда лет, после невероятного путешествия и нереальной степени растягивания, а сам объект находился бы сейчас в 46,1 миллиарда лет от нас.

Эволюция Вселенной от момента Большого взрыва, согласно стандартной космологической модели / ©️ NASA / GSFC

«Ага! — воскликните вы. — Значит, пространство расширилось быстрее скорости света!»

Так ли? Просто для того, чтобы что-то двигалось быстрее света, ему должна быть свойственна скорость: что-то, что можно измерить, например километры в секунду. Но Вселенная расширяется совсем не так.

Напротив, она расширяется со скоростью на единицу расстояния. Обычно это измеряется как километры в секунду на мегапарсек, где мегапарсек — около 3,26 миллиона световых лет. Если скорость расширения составляет 70 км/с/Мпк, это означает, что в среднем объект, расположенный в 10 Мпк от нас, отдаляется со скоростью 700 км/с с нашей точки зрения, в 200 Мпк — 14 000 км/с, а в случае с объектом в 5 000 Мпк нам будет казаться, что он отдаляется со скоростью 350 тысяч км/с.

Однако следует ли из этого, что какие-то объекты движутся быстрее света? Давайте вернемся к Специальной теории вероятности Эйнштейна и подумаем, что мы имеем в виду, когда говорим, что ничто не может двигаться быстрее света. Это означает, что если у вас есть два объекта в одном пространственно-временном событии — занимающие одно и то же пространство в одно и то же время, — то они не могут двигаться относительно друг друга быстрее скорости света. Даже если один из них движется на север на 99% скорости света, а другой движется с такой же скоростью на юг, их скорость не будет составлять 198% скорости света относительно друг друга, а будет равняться 99,995% скорости света. Не важно, как быстро каждый из них движется, — они никогда не превысят скорость света относительно друг друга.

Наблюдаемая Вселенная может достигать 46 миллиардов световых лет во всех направлениях с нашей точки зрения, но за ее пределами определенно есть области, которые мы не можем наблюдать. 46 миллиардов световых лет — это всего лишь предел, доступный для нашего наблюдения / ©️ Frédéric MICHEL/Andrew Z. Colvin

Именно поэтому это и называется относительностью: она измеряет относительное движение между двумя объектами в одной точке в пространстве и времени. Но этот тип относительности — Специальная теория относительности — устанавливает правила в вашей области нерасширяющегося пространства. Общая теория относительности добавляет к этому еще один уровень: факт расширения самого пространства. Измерив количество обычного вещества, темного вещества, темной энергии, нейтрино, излучения и других вещей в сегодняшней Вселенной, а также то, как свет, достигающий нас с разных расстояний во Вселенной, смещается в красный спектр в результате расширения, мы можем воссоздать, насколько большой была Вселенная в любой момент прошлого.

Когда Вселенной было около 10 тысяч лет, ее наблюдаемая часть уже была размером в 10 миллионов световых лет. Когда ей был всего год, наблюдаемая Вселенная была размером 100 тысяч световых лет. Когда ей была всего одна секунда, она уже была размером 10 световых лет. Да, все это и правда звучит так, будто она расширяется быстрее света. Но ни в один момент времени ни одна частица не двигалась быстрее света по отношению к другой частицей, с которой взаимодействовала.

Чем дальше галактика, тем быстрее она от нас отдаляется и тем сильнее ее свет смещается в красный спектр, вынуждая нас смотреть на все боле длинные волны. За пределами определенного расстояния, галактики становятся недостижимыми даже на скорости света / ©️ Larry McNish/RASC Calgary Center

Напротив, расширялось само пространство между частицами, в процессе чего расстояние между ними увеличивалось, а длина волны излучения в этом пространстве растягивалась. Это продолжалось много миллиардов лет в течение космической истории и продолжается сегодня. Несмотря на то что мы никогда не сможем достичь никаких объектов, находящихся дальше 15,6 миллиарда лет на данный момент, даже если будем двигаться со скоростью света (что по определению невозможно), то не из-за того, что они отдаляются быстрее света, а потому, что пространство между разными точками продолжает расширяться.

Главный вывод заключается в том, что пространство не расширяется с какой-то конкретной скоростью, а скорее с определенной степенью: со скоростью на единицу расстояния. В итоге чем дальше объект, на который вы смотрите, тем больше расширение влияет на расстояние между вами. Чем дальше от вас объект, тем краснее он будет выглядеть и тем быстрее будет отдаляться с вашей точки зрения. Но быстрее ли света? Для того чтобы измерить это, вам надо находиться в той же области. Относительно вашего местоположения ничто не движется быстрее света, и это можно сказать о любом месте во Вселенной в любое время. Пространство расширяется, но не быстрее света, более того, у этого расширения нет скорости.