קוסמולוגים הם מטיילים בזמן אינטלקטואלי. במבט לאחור על מיליארדי שנים, מדענים אלה מסוגלים להתחקות אחר התפתחות היקום שלנו בפרטי פרטים מדהימים. במהלך העידנים הבאים, הקוסמוס שלנו גדל עד כדי כך עצום שאנחנו כבר לא יכולים לראות את הצד השני של זה.
אבל איך זה יכול להיות? אם מהירות האור מסמנת מגבלת מהירות קוסמית, איך יתכן שיש אזורים בחלל המרחב שהפוטונים שלהם נמצאים לנצח מהישג ידנו? וגם אם יש כאלה, איך נדע שהם קיימים בכלל?
היקום המתרחב
כמו כל דבר אחר בפיזיקה, היקום שלנו שואף להתקיים במצב האנרגיה הנמוך ביותר האפשרי. אבל בסביבות 10-36 שניות לאחר המפץ הגדול, הקוסמולוגים האינפלציוניים מאמינים שהקוסמוס מצא את עצמו נח במקום "אנרגיית ואקום כוזבת" - נקודת שפל שלא באמת הייתה נקודת שפל. מחפש את הסף האמיתי של אנרגיית הוואקום, יותר משבריר של דקה, נראה שהיקום פורח על ידי גורם של 1050.
מאז אותו זמן היקום שלנו המשיך להתרחב, אך בקצב איטי בהרבה. אנו רואים עדויות להתפשטות זו באור מחפצים רחוקים. כאשר פוטונים הנפלטים על ידי כוכב או גלקסיה מתפשטים ברחבי היקום, מתיחת החלל גורמת להם לאבד אנרגיה. ברגע שהפוטונים מגיעים אלינו, אורכי הגל שלהם הופנו לאדמה בהתאם למרחק שהם נסעו.
זו הסיבה שקוסמולוגים מדברים על משמרת אדומה כפונקציה של מרחק בחלל ובזמן כאחד. האור מהחפצים הרחוקים הללו נע כל כך הרבה זמן, כשאנו רואים אותו סוף סוף אנו רואים את החפצים כפי שהיו לפני מיליארדי שנים.
הכרך האבל
אור קדימה מאפשר לנו לראות עצמים כמו גלקסיות כפי שהיו קיימים בעבר הרחוק; אבל אנחנו לא יכולים לראות את כל אירועים שהתרחשו ביקום שלנו במהלך ההיסטוריה שלו. מכיוון שהקוסמוס שלנו מתרחב, האור מחפצים מסוימים פשוט רחוק מכדי שנוכל לראות.
הפיזיקה של אותה גבול נשענת, בחלקה, על נתח של זמן חלל שמסביב הנקרא נפח האבל. כאן על כדור הארץ אנו מגדירים את נפח האבל על ידי מדידת דבר הנקרא פרמטר האבל (H0), ערך הקושר את מהירות המיתון לכאורה של עצמים מרוחקים לתזוזה האדומה. זה חושב לראשונה בשנת 1929, כאשר אדווין האבל גילה שנדמה היה כי גלקסיות רחוקות מתרחקות מאיתנו בקצב שהיה פרופורציונלי לתזוזה האדומה של האור שלהן.
חלוקת מהירות האור על ידי H0, אנו מקבלים את נפח האבל. בועה כדורית זו תוחמת אזור בו כל העצמים מתרחקים מהצופה המרכזי במהירויות נמוכות ממהירות האור. בהתאמה, כל האובייקטים מחוץ לנפח האבל מתרחקים מהמרכזמהר יותר יותר ממהירות האור.
כן, "מהיר יותר ממהירות האור." איך זה אפשרי?
קסם היחסות
התשובה קשורה להבדל בין תורת היחסות המיוחדת לתורת היחסות הכללית. תורת היחסות המיוחדת דורשת את מה שמכונה "מסגרת התייחסות אינרציאלית" - יותר פשוט, רקע. על פי תיאוריה זו, מהירות האור זהה בהשוואה לכל מסגרות ההתייחסות האינרדיאליות. בין אם מתבונן יושב בשקט על ספסל פארק על פני כדור הארץ או מתקרב על פני נפטון בספינת רקטות עתידנית גבוהה, מהירות האור היא תמיד זהה. פוטון תמיד מתרחק מהמתבונן בגובה 300,000,000 מטר לשנייה, והוא או היא לעולם לא יתקלו.
היחסות הכללית, לעומת זאת, מתארת את מרקם החלל עצמו. בתיאוריה זו, אין מסגרת התייחסות אינרציאלית. המרחב לא מתרחב ביחס לשום דבר מחוץ לעצמו, ולכן מהירות האור כמגבלה על מהירותו אינה חלה. כן, גלקסיות מחוץ לתחום האבל שלנו נסוגות עלינו מהר יותר ממהירות האור. אבל הגלקסיות עצמן לא פורצות מגבלות מהירות קוסמיות. למתבונן באחת מאותן גלקסיות, שום דבר לא מפר את היחסות המיוחדת בכלל. זה המרחב שבינינו לבין הגלקסיות ההן שמתפשט במהירות ונמתח באופן אקספוננציאלי.
היקום הנצפה
עכשיו למטען הבא: נפח האבל אינו אותו דבר כמו היקום הנצפה.
כדי להבין זאת, קחו בחשבון שככל שהיקום מתבגר, לאור רחוק יש יותר זמן להגיע לגלאים שלנו כאן על כדור הארץ. אנו יכולים לראות עצמים שהאיצו מעבר לנפח האבל הנוכחי שלנו מכיוון שהאור שאנו רואים היום נפלט כשהיו בתוכו.
באופן קפדני, היקום הנצפה שלנו עולה בקנה אחד עם משהו שנקרא אופק החלקיקים. אופק החלקיקים מסמן את המרחק לאור הרחוק ביותר שאנו יכולים לראות ברגע זה בזמן - פוטונים שהיו להם מספיק זמן להישאר בתוך או להדביק את כדור האבל המתרחב בעדינות שלנו.
ופשוט מה המרחק הזה? קצת יותר מ 46 מיליארד שנות אור לכל כיוון - מה שנותן ליקום הצפוי שלנו קוטר של כ 93 מיליארד שנות אור, או יותר מ- 500 מיליארד טריליון מיילים.
(הערה מהירה: אופק החלקיקים אינו אותו דבר כמו אופק אירועים קוסמולוגי. אופק החלקיקים מקיף את כל האירועים שבעבר אנו יכולים לראות. אופק האירועים הקוסמולוגי, לעומת זאת, מגדיר את המרחק שבתוכו יוכל צופה עתידי לראות את האור העתיק דאז שפינה הקטנה שלנו בחלל החלל פולטת היום.
במילים אחרות, אופק החלקיקים עוסק במרחק למושאי עבר שאורם העתיק שאנו יכולים לראות כיום; אופק האירועים הקוסמולוגי עוסק במרחק שאורנו של ימינו שיוכל לנוע כאזורים רחוקים ביקום מאיצים מאיתנו.)
אנרגיה שחורה
בזכות התפשטות היקום, ישנם אזורים בקוסמוס שלעולם לא נראה, גם אם היינו יכולים לחכות זמן אינסופי לאורם יגיע אלינו. אבל מה עם אותם אזורים שנמצאים מעבר לטווח השיעור של כרך האבל של ימינו? אם התחום הזה גם מתרחב, האם נוכל אי פעם לראות את אותם חפצי גבול?
זה תלוי באיזה אזור מתרחב מהר יותר - נפח האבל או חלקי היקום ממש מחוצה לו. והתשובה לשאלה זו תלויה בשני דברים: 1) האם ח0 גדל או יורד, ו 2) האם היקום מאיץ או מאיץ. שני שיעורים אלה קשורים באופן אינטימי, אך הם אינם זהים.
למעשה, הקוסמולוגים מאמינים שאנחנו למעשה חיים בתקופה בה H0 הולך ופוחת; אך בגלל אנרגיה אפלה, מהירות התפשטות היקום עולה.
זה אולי נשמע אינטואיטיבי, אך כל עוד H0 יורד לאט יותר ציון מזו שבה עולה מהירות ההתפשטות של היקום, התנועה הכללית של הגלקסיות הרחק מאיתנו עדיין מתרחשת בקצב מואץ. וברגע זה בזמן, הקוסמולוגים מאמינים כי התרחבות היקום תעלה על הצמיחה הצנועה יותר של נפח האבל.
כך שלמרות שנפח האבל שלנו מתרחב, נראה כי השפעת האנרגיה האפלה מספקת גבול קשה ליקום הנצפה והולך וגובר.
המגבלות הארציות שלנו
נראה כי לקוסמולוגים יש ידיעה טובה בשאלות עמוקות כמו איך ייראה היקום הצפוי ביום מן הימים וכיצד התרחבות הקוסמוס תשתנה. אך בסופו של דבר, מדענים יכולים רק להעריך את התשובות לשאלות לגבי העתיד על סמך הבנתם את היקום הנוכחי. טווחי הזמן הקוסמולוגיים ארוכים עד כדי כך שלא ניתן להעלות על הדעת עד שאי אפשר לומר הרבה מכל דבר קונקרטי על אופן התנהגות היקום בעתיד. המודלים של ימינו מתאימים לנתונים הנוכחיים בצורה מדהימה, אך האמת היא שאיש מאיתנו לא יחיה מספיק זמן כדי לראות אם התחזיות באמת תואמות את כל התוצאות.
מאכזב? בטוח. אבל שווה לחלוטין את המאמץ לעזור למוחנו המרושע לשקול מדע כה מבלבל-מוחות - מציאות שהיא, כרגיל, פשוט מוזרה מאשר בדיה.
