Ten artykuł został pierwotnie opublikowany pod adresem Rozmowa. Publikacja przyczyniła się do artykułu do Space.com Głosy ekspertów: Op-Ed & Insights.
Około sto lat temu naukowcy walczyli o pogodzenie tego, co wydawało się sprzeczności Teoria ogólnej względności Alberta Einsteina.
Opublikowane w 1915 rokui już powszechnie akceptowane na całym świecie przez fizyków i matematyków, teoria założona Wszechświat był statyczny – niezmienny, niewzruszony i niezmienny. Krótko mówiąc, Einstein uważał, że rozmiar i kształt wszechświata był dziś mniej więcej tego samego rozmiaru i kształtu.
Ale kiedy astronomowie spojrzeli na nocne niebo w odległe galaktyki z potężnymi teleskopami, zobaczyli wskazówki, że wszechświat był niczym innym jak tym. Te nowe obserwacje sugerowały odwrotnie – że tak było Zamiast tego rozszerzanie się.
Naukowcy wkrótce zdali sobie sprawę Teoria Einsteina Właściwie nie powiedział, że wszechświat musiał być statyczny; Teoria może również wspierać rozwijający się wszechświat. Rzeczywiście, stosując te same narzędzia matematyczne dostarczone przez teorię Einsteina, naukowcy stworzyli nowe modele, które pokazały, że wszechświat był w rzeczywistości, w rzeczywistości, dynamiczny i ewoluujący.
Spędziłem dziesięciolecia, próbując zrozumieć ogólną względność, w tym w mojej obecnej pracy Jako profesor fizyki Kursy dydaktyczne na temat. Wiem, że owijanie głowy wokół pomysłu stale rozwijającego się wszechświata może poczuć się zniechęcającym-a częścią wyzwania jest zastępowanie twojej naturalnej intuicji na temat tego, jak wszystko działa. Na przykład trudno wyobrazić sobie coś tak dużego, jak wszechświat, który wcale nie ma centrum, ale fizyka mówi, że taka jest rzeczywistość.
Przestrzeń między galaktykami
Najpierw zdefiniujmy to, co oznacza „ekspansja”. Na Ziemi „rozszerzenie” oznacza, że coś się powiększa. I w odniesieniu do wszechświata, to prawda. Ekspansja może również oznaczać „wszystko, co się od nas wychodzi”, co jest również prawdą w odniesieniu do wszechświata. Wskazać teleskop w odległych galaktykach i wszystkie się pojawiają Odejść od nas.
Co więcej, im dalej są, tym szybciej wydają się poruszać. Te galaktyki również wydają się odchodzić od siebie. Dlatego dokładniej jest powiedzieć, że wszystko we wszechświecie się dostaje dalej od wszystkiego innegowszystko jednocześnie.
Ten pomysł jest subtelny, ale krytyczny. Łatwo jest pomyśleć o stworzeniu wszechświata jak eksplodujące fajerwerki: zacznij od Wielki Wybucha potem wszystkie galaktyki we wszechświecie wylatują we wszystkich kierunkach od jakiegoś centralnego punktu.
Ale ta analogia nie jest poprawna. Nie tylko fałszywie oznacza to, że ekspansja wszechświata rozpoczęła się od jednego miejsca, którego nie zrobił, ale sugeruje również, że galaktyki to rzeczy, które się poruszają, co nie jest całkowicie dokładne.
To nie tyle galaktyki, które odsuwają się od siebie – to przestrzeń między galaktykami, tkaniną samego wszechświata, to znaczy W miarę upływu czasu. Innymi słowy, nie tak naprawdę same galaktyki poruszają się przez wszechświat; To więcej sam wszechświat nosi je dalej, gdy się rozszerza.
Powszechną analogią jest wyobrażenie sobie, że przyklejanie kropek na powierzchni balonu. Kiedy wbijasz powietrze w balon, rozszerza się. Ponieważ kropki utknęły na powierzchni balonu, rozchodzą się dalej. Choć mogą się poruszać, kropki faktycznie pozostają dokładnie tam, gdzie je umieszczasz, a odległość między nimi staje się większa dzięki ekspansji balonu.
Teraz pomyśl o kropkach jako galaktykach i balonie jako o tkaninie wszechświata, a zaczynasz dostawać obraz.
Niestety, chociaż ta analogia jest dobrym początkiem, nie ma również odpowiednich szczegółów.
Czwarty wymiar
Ważne dla każdej analogii jest zrozumienie jej ograniczeń. Niektóre wady są oczywiste: balon jest wystarczająco mały, aby zmieścić się w dłoni – nie tak wszechświat. Kolejna wada jest bardziej subtelna. Balon ma dwie części: powierzchnię lateksową i wypełnione powietrzem wnętrze.
Te dwie części balonu są opisywane inaczej w języku matematyki. Powierzchnia balonu jest dwuwymiarowa. Jeśli chodziłeś po nim, możesz poruszać się do przodu, do tyłu, w lewo lub w prawo, ale nie możesz poruszać się w górę lub w dół bez opuszczenia powierzchni.
Teraz może to zabrzmieć, jakbyśmy nazywali cztery kierunki – do przodu, do tyłu, lewej i prawej – ale są to tylko ruchy wzdłuż dwóch podstawowych ścieżek: bok na bok i z przodu do tyłu. To sprawia, że powierzchnia dwuwymiarowa-długość i szerokość.
Z drugiej strony wnętrze balonu jest trójwymiarowe, więc możesz swobodnie poruszać się w dowolnym kierunku, w tym w górę lub w dół-długości, szerokości i wysokości.
Tutaj leży zamieszanie. Rzecz, którą uważamy za „centrum” balonu, jest punkt gdzieś we wnętrzu, w wypełnionej powietrzem przestrzeni pod powierzchnią.
Ale w tej analogii wszechświat bardziej przypomina lateksową powierzchnię balonu. Wnętrze wypełnione powietrzem balonu nie ma odpowiednika w naszym wszechświecie, więc nie możemy użyć tej części analogii-tylko powierzchnia ma znaczenie.
Pytaj ”Gdzie jest centrum wszechświata?„Czy trochę przypomina pytanie:„ Gdzie jest środek powierzchni balonu? ” Po prostu nie ma jednego.
W ten sam sposób możesz podróżować w dowolnym kierunku we wszechświe po prostu go nie ma.
Jednym z powodów, dla których może to być tak trudne do zrozumienia, jest sposób, w jaki wszechświat jest opisany w języku matematyki. Powierzchnia balonu ma dwa wymiary, a wnętrze balonu ma trzy, ale wszechświat istnieje w czterech wymiarach. Ponieważ nie chodzi tylko o to, jak sprawy poruszają się w przestrzeni, ale o to, jak poruszają się na czas.
Nasze mózgi są podłączone do myślenia o przestrzeni i czasie osobno. Ale we wszechświecie przeplatają się w jedną tkaninę, zatytułowaną „czas kosmiczny. ” To zjednoczenie zmienia sposób, w jaki wszechświat działa w stosunku do tego, czego oczekuje nasza intuicja.
I to wyjaśnienie nawet nie zaczyna odpowiadać na pytanie, jak coś może się rozwijać w nieskończoność – Naukowcy wciąż próbują rozgłaszać, jakie moce to rozszerzenie.
Pytając o centrum wszechświata, konfrontujemy się z granicami naszej intuicji. Odpowiedź, którą znajdujemy – wszystko, rozszerzanie się wszędzie, wszystko jednocześnie – to spojrzenie na to, jak dziwne i piękne jest nasz wszechświat.
Ten artykuł jest opublikowany z Rozmowa na licencji Creative Commons. Przeczytaj Oryginalny artykuł.
