Visatos plėtimasis technologijose

Ir vėl parašiau technologijoms.lt pažintinį straipsnį. Šįkart netgi beveik aktualia tema – apie Visatos plėtimąsi ir jo greitėjimą, už kurio atradimą šiemet įteikta Nobelio premija. Galite skaityti ten arba žemiau, po kirpsniuku.

Apie tai, jog Visata plečiasi, turbūt yra girdėjęs kiekvienas nors kiek astronomija besidomintis žmogus. Taip pat gal kažkur girdėta ir tai, jog plėtimasis vis greitėja. Jei anksčiau to ir nežinojo, daugelis apie šį reiškinį išgirdo prieš keletą savaičių, paskelbus šių metų Nobelio fizikos premijos laureatus. Jais tapo dviejų mokslininkų grupių, atradusių greitėjantį Visatos plėtimąsi, atstovai.

Schemoje matyti trys galimi Visatos likimo variantai. „Big Crunch“ įvyktų tuo atveju, jei Visata užpildyta materijos; tada plėtimasis vis lėtėtų, kol galų gale sustotų ir prasidėtų traukimasis, kuris baigtųsi visos Visatos sukritimu į vieną tašką ir galbūt nauju Didžiuoju sprogimu. „Big Rip“ scenarijus – didėjančios tamsiosios energijos įtakos pasėkmė: Visata plečiasi vis greitėdama ir galų gale ima plėstis taip sparčiai, kad suardomi ne tik galaktikų spiečiai, bet ir pačios galaktikos bei smulkesnės sistemos. Pagal dabartinę teoriją, labiausiai tikėtinas vidurinis scenarijus – nesibaigiantis plėtimasis, tad galaktikų spiečių
suardymo nebus.

©Chandra, NASA

Visame spaudos pranešimų šurmulyje galima rasti daugybę įvairiausių paaiškinimų, kaip čia ta Visata plečiasi, kodėl ji plečiasi, kodėl greitėja ir taip toliau. Deja, dažnai tie paaiškinimai būna labai per trumpi arba išvis kažkur į lankas nusivažiavę (nors pasitaiko ir
tikrai kokybiškų). Taigi, kaip ir ne viena kita mokslinė teorija ar modelis, Visatos plėtimasis dažnai yra blogai suprantamas, tas blogas supratimas veda prie blogų aiškinimų, ir klaidingi įsivaizdavimai plinta toliau. Čia pabandysiu ištaisyti keletą klaidingų idėjų ir papasakoti, kaip išsivystė mūsų dabartinis supratimas apie Visatos raidą ir kur jis gali vystytis toliau.

Nuo ko viskas prasidėjo – Edvinas Hablas

Prieš šimtą metų Amerikoje gyveno astronomas, vardu Edvinas Hablas (Edwin Hubble). Jis labai mėgo žiūrėti į keistus ūkus, kurių buvo žinoma daugybė, tačiau mokslininkai nesutarė, kas tai per dalykai. Tuo metu egzistavo dvi teorijos: viena teigė, kad ūkai yra labai toli, už mūsų Galaktikos ribų, ir kad kai kurie netgi yra kitos galaktikos, panašios į mūsiškę. Antrosios teorijos šalininkai galvojo visiškai priešingai – kad ūkai tėra dujų debesys ar žvaigždžių spiečiai mūsų Galaktikoje, ir nieko daugiau Visatoje nėra.

Trečiojo dešimtmečio pradžioje jaunasis Hablas atliko daugybę ūkų stebėjimų. Kai kuriuose ūkuose jis aptiko kintamųjų žvaigždžių, vadinamų Cefėjidėmis. Šių žvaigždžių šviesio kitimo periodas labai glaudžiai koreliuoja su jų absoliutiniu ryškiu, taigi išmatavus periodą bei regimąjį ryškį, galima nustatyti ir atstumą iki žvaigždės. Atlikęs šiuos skaičiavimus, Hablas 1925-ųjų metų pradžioje įrodė, jog bent kai kurie ūkai yra per toli, kad galėtų būti Paukščių Tako dalis. Tai buvo galutinis argumentas, privertęs mokslo bendruomenę pripažinti, jog mūsų Galaktika nėra vienintelė Visatoje.

Galaktikų stebėjimus Hablas tęsė ir toliau. Jis nebuvo vienintelis, tuo užsiiminėjantis – daugybė astronomų nukreipė savo teleskopus ir prie jų prijungtus matavimo prietaisus į „ūkus“. Dar gerokai anksčiau kitas amerikietis, Vestas Slaiferis (Vesto Slipher) nustatė, jog daugumos ūkų spektrai yra pasislinkę į raudonąją pusę; tai reiškia, kad ūkai nuo mūsų tolsta. Hablas, pasinaudodamas savo paties galaktikų nuotolių matavimais bei Slaiferio ir kitų mokslininkų surinktais raudonojo poslinkio (t.y. judėjimo greičio) katalogais, aptiko, jog toliau esančios galaktikos tolsta greičiau, nei artimos. Sąryšis tarp atstumo ir tolimo greičio pasirodė besąs tiesinis, t.y. greitis lygus atstumui, padaugintam iš tam tikros konstantos. Ši konstanta bei pats dėsnis pavadinti Hablo vardu.

Hablo diagrama. Nors galaktikų judėjimo greičiai yra gana įvairūs, pakankamai akivaizdu, jog didėjant nuotoliui, didėja ir greitis.

©Hubble 1929

Kas gi iš tiesų plečiasi?

Hablo atrastasis sąryšis buvo visiškai empirinis, t.y. paremtas stebėjimais, bet neturintis teorinio pagrindo. Hablas tą puikiai suprato, bet interpretuoti atradimo pats nebandė, o paliko šį darbą kosmologams, kurie visai neseniai buvo atradę šį bei tą derančio prie stebėjimų rezultatų. Kosmologija tuo metu buvo tik neseniai užgimusi astronomijos atšaka, prasidėjusi nuo teorinių išvedžiojimų apie bendrąją reliatyvumo teoriją. Pagrindinė šios teorijos lygtis, vadinama Einšteino lauko lygtimi (Einstein field equation;

kartais ji aprašoma kaip dešimties lygčių rinkinys, bet tai yra tapatūs dalykai), nusako sąryšį tarp materijos (arba energijos) ir jos sukeliamo erdvės iškreiptumo. Lygties sprendiniai, vadinami erdvėlaikio metrikomis, nusako Visatos erdvės savybes ir evoliuciją, esant skirtingam materijos pasiskirstymui. Bendru atveju lygtis algebriškai yra neišsprendžiama, tačiau atskirais atvejais sprendiniai egzistuoja ir buvo atrasti. Pavyzdžiui Švarcšildo metrika aprašo erdvę aplink sferiškai simetrišką nesisukantį kūną.

Erdvėlaikio metrikos dažnai vaizduojamos tokiomis schemomis. Čia pavaizduota Švarcšildo metrika, kuri toli nuo masyvaus kūno yra plokščia, bet priartėjus arčiau, tampa vis labiau iškreipta.

©Wikimedia Commons

Viena tokia metrika buvo nepriklausomai atrasta keturių mokslininkų trečiajame XX a. dešimtmetyje, todėl vadinama bent kelių iš jų pavardėmis: Fridmano (Friedmann), Lemetro (Lemaître), Robertsono (Robertson) ir Volkerio (Walker). Ja aprašoma erdvė, tolygiai užpildyta
vienodo tankio materija. Tolygus materijos pasiskirstymas gali atrodyti visiškai realybės neatitinkantis dalykas – žvaigždės ir galaktikos juk susispietusios spiečiais, – tačiau labai dideliais masteliais ši prielaida turėtų būti teisinga. Ji vadinama kosmologiniu principu ir yra
vienas iš kertinių kosmologijos pagrindų.

FLRW metrikos vienas iš požymių yra tas, jog erdvės dydis, t.y. atstumas tarp dviejų nejudančių objektų, gali kisti laikui bėgant. Kaip jis kinta, priklauso nuo materijos (ir energijos) tankio, bet svarbi pati galimybė. Šis kitimas nepriklauso nuo mastelio, t.y. ir maži, ir dideli atstumai santykinai plečiasi vienodai. Sakau „plečiasi“ todėl, kad, nors traukimasis taip pat yra galimas, Visata būtent plečiasi. Na o santykinį plėtimąsi galima aprašyti kaip tolimo objekto judėjimo tolyn greičio ir atstumo iki to objekto santykį. Santykinis plėtimasis, kaip minėjau, nepriklauso nuo mastelio, taigi gauname vienodą santykį – Hablo konstantą. Aukščiau minėtasis Fridmanas išvedė dvi lygtis, kuriomis matematiškai susiejama Hablo konstantos vertė, materijos tankis, didelio mastelio erdvės iškreiptumas ir kosmologinė konstanta (žr. žemiau).

FLRW metrikos schematinis vaizdas. Tik atsiradusi Visata išsiplėtė infliacijos epochos metu, o vėliau ilgą laiką plėtėsi po truputį lėtėdama, nes materijos kuriama gravitacinė sąveika priešinosi plėtimuisi.

©Wikimedia Commons


Šis modelis turi keletą svarbių savybių, kurios dažnai yra klaidingai suprantamos. Visų pirma, plečiasi pati Visatos erdvė (didėja atstumas tarp bet kurių dviejų taškų), o ne objektai tolsta joje vienas nuo kito; tai paaiškina, kodėl labai toli esantys objektai gali nuo mūsų tolti greičiau už šviesą – tokių objektų negalime matyti, bet jų egzistavimas niekaip nepažeidžia reliatyvumo teorijos, kuri draudžia virššviesinį greitį erdvės atžvilgiu. Taip pat negalima „plėtimosi greičio“ nusakyti metrais per sekundę ar kitais įprastais greičio matavimo vienetais; toks greitis priklauso nuo atstumo iki objekto, patį plėtimąsi aprašo Hablo konstanta (paprastai išreiškiama kilometrais per sekundę vienam megaparsekui) arba jai atvirkščias dydis – Hablo laikas (beveik 14 milijardų metų), apytikriai nurodantis, per kiek laiko Visatos dydis padidėja e (t.y. 2,7) kartų. Trečia savybė – Visatos plėtimasis neturi centro arba, kitaip sakant, centru galima laikyti bet kurį tašką; nesvarbu kurią galaktiką paimsime atskaitos tašku, visos kitos galaktikos tols nuo jos tolyn pagal tą patį Hablo dėsnį.

Jei grupė galaktikų (viršuje kairėje) išsiplečia taip, kad toliau esantys objektai vienas nuo kito ir nutolsta proporcingai toliau (viršuje dešinėje), tai nesvarbu, iš kurio taško žiūrėsi (viduryje), plėtimasis atrodys vienodas visomis kryptimis (apačioje).

©Wikimedia Commons

Dar vienas dalykas, kurio nevalia pamiršti nagrinėjant FLRW metriką ir iš jos kylantį kosmologinį modelį, yra mastelis, kuriuo jie galioja. Nors pati metrika, kaip jau minėjau, leidžia plėtimąsi bet kokiu masteliu, tai tikrai nereiškia, kad jūsų kojų pirštai tolsta nuo
nosies dėl Visatos didėjimo. Čia svarbu tai, kad kosmologinis principas – prielaida, kuria remiasi visas modelis – galioja tik masteliais, didesniais už galaktikų spiečius. Pažvelgus į erdvę mažesniu masteliu, jokio tolygumo nematome: galaktikos buriasi į grupes, pačiose galaktikose tankis taip pat labai nevienodas. Taigi ir modelis netinkamas, o Einšteino lauko lygties sprendinio galaktikų spiečiams ir
galaktikoms neturime. Belieka pasitenkinti tuo, kad galaktikų judėjimą pakankamai gerai aprašyti galime Niutono mechanikos dėsniais.

Paskutinė FLRW metrikos įdomybė ateina iš Einšteino lauko lygties. Joje yra vienas narys, paprastai žymimas graikiška raide Λ (lambda) ir vadinamas kosmologine konstanta. Jo įtaka FLRW metrikai pasireiškia tuo, kad priklausomai nuo Λ vertės bei ženklo (t.y. ar jis teigiamas, ar neigiamas), erdvės plėtimasis gali būti greitesnis arba lėtesnis, nei turėtų būti dėl materijos įtakos. Kai Einšteinas išvedė lauko lygtį, buvo manoma, jog Visata yra nejudanti ir nekintama; Λ narys buvo reikalingas tam, kad „palaikytų“ Visatą tokią. Kai buvo atrastas Visatos plėtimasis, kosmologinė konstanta iš lygčių išbraukta kaip fizikinės prasmės neturintis dydis. Einšteinas ankstesnį šio nario įtraukimą yra pavadinęs „didžiausiu liapsusu“. Tačiau po daugiau nei pusšimčio metų pasirodė, kad tas liapsusas nebuvo toks jau didelis.

Nauji matavimai ir supernovos

FLRW metrika davė pagrindą kosmologiniam modeliui, vadinamam Didžiuoju sprogimu. Pagal šį modelį, Visata yra baigtinio amžiaus, atsirado iš vieno begalinės temperatūros ir tankio taško, ir nuo tada plečiasi. Plėtimasis vyksta visomis kryptimis ir visur vienodai. Visatos masė-energija susideda iš materijos (paprastos ir tamsiosios), nykstamai mažą papildomą įnašą duoda fotonai, o kosmologinė konstanta neegzistuoja. Modelis, sukurtas XX a. viduryje, jau septintajame dešimtmetyje išstūmė savo pagrindinę konkurentę „nuolatinio būvio Visatos“ teoriją (steady-state Universe) ir vėliau buvo nagrinėjamos beveik vien tik modelio detalės.

Tačiau teorijoje žiojėjo nemaža skylė – stebėjimų duomenų trūkumas. Tolimiausios galaktikos su išmatuotais ir nuotoliais, ir judėjimo greičiais (šie du matavimai, norint patikrinti Hablo dėsnį ir kosmologinius parametrus, turi būti atlikti nepriklausomai) buvo „vos“ už keleto šimtų megaparsekų, atitinkančios žiūrėjimą į maždaug milijardo metų praeitį. Palyginus su Visatos amžiumi – beveik 14 milijardų metų – tai visai nedaug. Tolimesnėse galaktikose nebebuvo įmanoma įžiūrėti Cefėidžių ir daugelio kitų objektų, vadinamųjų „standartinių žvakių“ (standard candles), kurių dėka pavykdavo nustatyti atstumus, nesiremiant spektrine informacija.

XX a. pabaigoje buvo atrasta dar viena standartinė žvakė, kurios šviesio pakako stebėjimams tūkstančių megaparsekų nuotoliu. Tai – Ia tipo supernovos, Saulės masės ir panašių žvaigždžių liekanų, vadinamų baltosiomis nykštukėmis, sprogimai, šioms dvinarėse sistemose „persivalgius“ ir viršijus kritinę masės ribą, lygią 1,4 Saulės masėms. Ribos egzistavimas nulemia, jog kiekviena Ia tipo supernova turėtų išspinduliuoti labai panašų energijos kiekį; stebėjimai rodo, kad taip ir yra. O jei nagrinėjame ne patį šviesį, bet jo koreliaciją su supernovos blausimo greičiu, tai sąryšis tampa dar tvirtesnis. Žinodami objekto šviesį bei išmatavę jo regimąjį ryškį, nesunkiai galime gauti ir atstumą iki objekto. Kosmologijoje šitaip išmatuotas atstumas vadinamas šviesio atstumu (luminosity distance) ir gali būti išreikštas per Hablo konstantą, raudonąjį poslinkį (randamą išmatavus supernovos spektrą) ir Visatos lėtėjimo parametrą.

Įvairios standartinės žvakės ir jų pritaikymo atstumai. Pvz. žvaigždžių paralaksus (regimąjį judėjimą, kylantį dėl Žemės sukimosi aplink Saulę) išmatuoti galime tik nedideliu atstumu. Didesniais atstumais padeda Cefėjidės, o dar didesniais – Ia tipo supernovos ir kiti, mažiau tikslūs, būdai.

©Universe review


Lėtėjimo parametras – vienas iš svarbiausių kosmologinį modelį aprašančių skaičių. Jis parodo, kaip smarkiai lėtėja Visatos plėtimasis. Lėtėjimas, o ne greitėjimas, parametrui įvardinti pasirinktas neatsitiktinai; ilgą laiką buvo manoma, jog Visata, užpildyta vien materija, dėl gravitacijos turėtų plėstis vis lėčiau, galų gale sustoti ir pradėti trauktis atgal. Buvo teorinių paskaičiavimų, kokia galima parametro vertė, tačiau stebėjimais jų patvirtinti ar paneigti nepavyko iki pat Ia tipo supernovų panaudojimo.

Nuodugniais kosmologiniais tyrimais, naudojant Ia tipo supernovų duomenis, praeito amžiaus paskutiniame dešimtmetyje užsiėmė dvi tyrėjų grupės: Supernovų kosmologijos projektas (Supernova Cosmology Project, SCP) ir Didelio raudonojo poslinkio supernovų paieškos komanda (High-z Supernova Search Team, Hi-zSST).
Abi komandos yra tarptautinės, nors joms vadovauja JAV dirbantys mokslininkai. Per keletą metų, maždaug nuo 1994-ųjų iki 1998-ųjų, įvairių teleskopų pagalba buvo atrastos kelios dešimtys supernovų, nutolusių nuo mūsų per daugiau nei 100 megaparsekų, bei išmatuoti jų spektrai. Remdamiesi gautais duomenimis, ir vienos, ir kitos grupės atstovai nepriklausomai priėjo prie išvados, jog lėtėjimo parametras yra… neigiamas. Tai reiškia, kad Visatos plėtimasis iš tikro greitėja, ir tai prasidėjo maždaug prieš 5 milijardus metų (tai atitinka raudonąjį poslinkį z = 0.5). Tyrimai, besiremiantys vien artimesnėmis supernovomis, negalėjo nustatyti Visatos raidos pokyčių tokiais dideliais laiko tarpais, o per paskutinį milijardą metų plėtimosi greitis pakito tiek mažai, kad jo neįmanoma išskirti iš matavimų paklaidų.

Duomenys, kuriais naudojantis buvo nustatytas Visatos plėtimosi greitėjimas. Viršutiniame grafike pažymėta atstumo (tiksliau sakant, regimojo ir absoliutaus ryškių skirtumo) priklausomybė nuo raudonojo poslinkio. Trys linijos žymi tris kosmologinius modelius – spartėjančio plėtimosi (ištisinė linija), mažo tankio materijos užpildytos Visatos (taškuota linija) ir didelio tankio materijos užpildytos Visatos (punktyrinė linija). Skirtumai tarp jų nėra dideli, tačiau paėmus rezultatų santykį (vidurinio modelio atžvilgiu; apatinė diagrama) jie išryškėja. Matyti, jog būtent spartėjančiai besiplečiančios Visatos modelis geriausiai atitinka stebėjimų rezultatus

©Riess 2000, Perlmutter & Schmidt 2003

Bet ar tikrai?

Nauji rezultatai privertė suklusti viso pasaulio kosmologus. Visatos plėtimosi greitėjimas buvo statistiškai reikšmingas atradimas, t.y. tikrai ne stebėjimų paklaidos išdava. Tačiau, kaip ir beveik prieš šimtą metų Edvino Hablo atrastas Visatos plėtimasis, tai buvo empirinis rezultatas – stebėjimais paremtas dalykas, kurio fizikinė priežastis nežinoma. Įvairaus plauko tyrinėtojai kibo į darbą bandydami nustatyti, kur gali slypėti spartėjančio plėtimosi priežastis.Viena galima rezultatų interpretacija yra labai konservatyvi. Galbūt iš tiesų Visatos plėtimasis nespartėja, o rezultatas gautas dėl nepakankamo supratimo apie supernovų sprogimus arba dėl kokio nors neįvertinto, bet gerai žinomo, fizikinio efekto? Pirmame teiginyje yra daug tiesos – apie supernovų sprogimus kol kas žinome tikrai nepakankamai daug, kad galėtume tvirtinti, jog ir ankstyvojoje Visatoje jie turėtų būti tokie patys, kaip ir dabar. Dėl antrojo dauguma mokslininkų sutaria, kad stebėjimų analizė atlikta pakankamai gerai; be to, ji buvo atlikta dar ne vieną kartą, gavus daugiau duomenų apie tas pačias ir kitas supernovas, ir rezultatai beveik nepakito. Be to, kitokio pobūdžio tyrimai – kosminės foninės spinduliuotės struktūrų matavimai, galaktikų būriavimosi į spiečius nagrinėjimas – patvirtina šią išvadą. Taigi šiuo metu jau beveik niekas neabejoja, kad greitėjantis Visatos plėtimasis yra realus.

Kas tempia Visatą?

Pagrindinė greitėjantį plėtimąsi aiškinanti teorija, tapusi kosmologinio modelio dalimi, teigia, jog didžiąją Visatos masės-energijos dalį sudaro ne materija, o paslaptingas darinys, vadinamas tamsiąja energija. Svarbiausias tamsiosios energijos bruožas – ji veikia taip, tarsi turėtų neigiamą slėgį, t.y. jos poveikis yra atvirkščias, nei gravitacijos. Taigi tamsioji energija „tempia“ Visatą į šalis, kai tuo tarpu materija bando ją sulaikyti. Bet Visatai plečiantis, mažėja materijos tankis, todėl jos trauka taip pat silpsta. O tamsiosios energijos kiekis, taigi ir tankis, nekinta – tai dar viena svarbi jos savybė. Taigi tamsiosios energijos poveikis, laikui bėgant, tampa vis reikšmingesnis, todėl ir Visatos plėtimasis greitėja ir greitės visada.

Visatos masės-energijos sudėtis. Tris ketvirčius jos sudaro tamsioji energija, dar 21 procentą – tamsioji materija. Tai, ką mes matome, užima vos 4% Visatos.

©Chandra, NASA


Praeitoje pastraipoje paminėjau tamsiosios energijos „tankį“. Tačiau kaip gali turėti tankį dalykas, visiškai nepanašus į materiją ir veikiantis netgi priešingai? Čia tenka grįžti prie Fridmano lygčių. Jose tamsiosios energijos poveikį nusakantis narys žymimas ta pačia raide Λ, kaip ir Einšteino kosmologinė konstanta. Tai daroma ne šiaip sau, o todėl, kad daugeliu atžvilgių tamsiosios energijos poveikis yra būtent toks, kaip kosmologinės konstantos (apie skirtumus tarp jų – truputį žemiau). Bet šis narys nuo nario, aprašančio materijos poveikį, skiriasi tik keliomis konstantomis, taigi atlikus porą nesudėtingų veiksmų, tamsiosios materijos įtaką galima aprašyti analogiškai, kaip ir materijos. Taigi kai kalbama apie tamsiosios energijos tankį, turima omeny būtent matematinė išraiška, o ne kažkokių realių dalelių (ar dar ko nors) kiekis tūrio vienete. Taip ir tankio nekintamumas gali būti lengviau suprantamas – tai nereiškia, kad kokių nors dalelių atsiranda vis daugiau, Visatai plečiantis; tiesiog kas bebūtų tamsioji energija, jos poveikio stiprumas nepriklauso nuo Visatos mastelio.

Tikslesnio supratimo, kas tamsioji energija yra, kol kas neturime. Hipotezių yra įvairių, nuo „fizikos dėsnio“ (tai reikštų, kad tamsioji energija nėra „dalykas“ ir kosmologinė konstanta Einšteino lauko lygtyje yra fundamentalus fizikinis dydis, panašiai kaip Planko arba gravitacijos konstantos) iki visą erdvę persmelkusio jėgos lauko, dar ir kintančio laikui bėgant (ši hipotezė vadinama „kvintesencija“). Stebėjimais patikrinti kurį nors modelį labai sudėtinga, nes jie visi duoda panašius spėjimus. Be to, kaip nors „pamatyti“ tamsiąją energiją yra žymiai sunkiau, nei tamsiąją materiją, o ir ją užfiksuoti tik dabar vos vos pradedame pajėgti.

Egzistuoja ir alternatyvos. Viena jų – hipotezė, jog mūsų regimoji Visata (ar bent jau didžioji jos dalis) yra didelis mažesnio už vidutinį tankio burbulas. Toks burbulas plėtųsi vis greičiau ir greičiau, nes iš jo pakraščių materiją sutrauktų tankesnės sritys, esančios išorėje. Panašus efektas matomas kosminės struktūros formavimosi simuliacijose, kur dėl nevienodo pradinio tankio materija susikaupia galaktikų spiečiuose, į tarpus palikdamas didžiules tuštumas. Tik spiečiai bei tuštumos yra gerokai mažesnio mastelio objektai, nei hipotetinis regimosios Visatos dydžio burbulas. Tokio burbulo egzistavimas pažeistų vieną iš dviejų kosmologinio principo teiginių – Visata nebebūtų homogeniška, t.y. ne visose vietose vienoda. Nebent burbulų būtų daug ir jų plėtimasis tebūtų tas pats kosminės struktūros formavimasis, tik didesniu masteliu. Bet tada kyla klausimas, kaip galėjo susiformuoti tokio mastelio struktūra, nes Visatos amžiaus pakanka gravitaciškai surišti galaktikų spiečiams, bet ne didesniems objektams…

Neatsakytų klausimų – labai daug. Tad nors abejonių dėl Visatos plėtimosi jau seniai nebėra, o plėtimosi greitėjimas taip pat pakankamai gerai patvirtintas, bet greitėjimo priežastis vis dar išlieka paslaptinga. Neabejoju, kad atsakymą į šį klausimą sužinosime. Gal ne po metų ir ne po penkių, gal teks palaukti keletą dešimtmečių, bet mokslas įveiks ir šią nežinomybės viršukalnę.

Laiqualasse

18 komentarų

  1. Jei teigiama, kad visata plečiasi vienodai visomis kryptimis ar tai nepaneigia didžiojo sprogimo(DS)? Mano supratimu po DS (jei jį suvokiame įvykus kuriame tai taške) visata turėtų plėstis spinduliais nuo jo. Tuo atveju didėja atstumas tarp spindulių (visata plečiasi). Šiuo atveju atsiranda galimybė nustatyti DS įvykio vietą, kuri aišku randasi už regimosios visatos. Beje jei DS išmetė visą mūsų suvokiamą visatos materiją, pagal kitų visatos kataklizmų scenarijų jo vietoje turėjo kažkas likti ir tikriausiai sąveikauti su visatos materija, pvz. juodoji energija?

    1. Didysis sprogimas vyko visoje Visatos erdvėje – iš jo ta erdvė ir atsirado. Viskas tolsta nuo visur, todėl kiekvienas taškas atrodo tarsi plėtimosi centras.

  2. Nesitikėjau tokio greito atsakymo. Ačiū.
    Fizikė rašydavo du už ginčus(pora syk buvau teisus :) ).
    Sakaičiau, nagrinėjau visatos plėtimosi vizualizaciją(aišku nesupratau). Pasirodo nesuprantu singuliarumo sąvokos. Taip – matematiškai įrodyta, viskas plečiasi ir nėr krypties, deja matyt ir numirsiu įsivaizduodamas mūsų visatą kaip taškelį begaliniame 3D voratinklyje.

    1. Oi ne, ginčai yra gerai :) Išskyrus tada, kai kuri nors pusė atkakliai nenori suprasti, ką sako kita.

      Visata gali būti mažas gabaliukas kažko didesnio, tik tas „kažkas“ turbūt yra ne trimatė erdvė, bent jau ne tokia, kaip mes suprantame.

      1. Ne kiekvienas žemės kirminas supranta fiziką, bet juk „mokslas“ kada tai įrodinėjo , kad žemė stovi ant trijų dramblių (kodėl ne ant keturių? A dėl stabilumo :) nors nebūdamas to meto „mokslininku“ to nė nesumąstytum, tai gal paprasta logika irgi reikalinga?
        Taigi, jei pvz. dujos plėstųsi erdvėje, juk bet kokiu atveju matematinis centras būtų?
        Jei iš šio straipsnio nesupratau visatos plėtimosi „paradokso“ – kad ji plečiasi ne iš vieno taško(centro), kur dar galėčiau apie tai paskaityti? Ačiū.

        1. Nežinau, kaip su tais drambliais, įtariu, kad čia labiau XIX a. pasaka apie „tamsiuosius amžius“, nei kada realiai egzistavęs įrodinėjimas.

          Jei dujos plečiasi erdvėje, tai centrą aptikti galime tik tada, kai galime aptikti besiplečiančio debesies kraštus. T.y. centras egzistuoja tik erdvės, kurioje plečiamasi, atžvilgiu, bet ne pačių dujų atžvilgiu. Jei dujos pradžioje buvo suspaustos į nykstamai mažo dydžio tašką, tai kiekviena dujų dalelė buvo tam centre ir gali pagrįstai sakyti, kad visos kitos dalelės tolsta nuo jos, todėl ji tebėra centre.

          Visatos erdvė analogiškai – plečiasi iš vieno taško, bet tas taškas davė pradžią visai erdvei, todėl pačioje erdvėje jokio vieno centro išskirti negalime.

          Gal labiau susigaudyti padės kitas mano tekstas apie metrikas http://www.konstanta.lt/2018/02/reliatyvumo-ivadas-kas-yra-metrika/ .

          1. Straipsnis tikrai puikus, tik dabar dar labiau susipainiojau. Supratau, kad turiu paneigti Minkovskį, Lemetrą na ir gal Enšteiną ir tada jau galėsiu įtvirtinti savo VISATOS modelį :).
            Eisiu aš paskaitinėti 8 klasės fizikos vadovėlio.
            Beje su Jūsų dujų plėtimosi paaiškinimu visai neaišku: – tipo dvi molekulės(ar visos šešios) a ir b nulėkė į priešingas puses, o vidurys tarp jų ne plėtimosi centras…?

            1. „Vidurys tarp jų“ nėra pačios molekulės. Prieš įvykstant sprogimui, ir molekulė A, ir molekulė B buvo tame pačiame taške. Jei neturime jokio išorinio atskaitos taško (erdvės, kurioje plinta molekulės), negalime nustatyti, kuri molekulė yra „labiau“ centre. Visatos plėtimosi atveju būtent taip ir yra – neturime išorinės (Visatai nepriklausančios) atskaitos sistemos.

  3. Kadangi Jums pakanka kantrybės, o aš bukai tuo netikiu, išdėstysiu dar vieną savo samprotavimą.
    -Imkime tris kubus Nr.1, Nr.2, Nr.3, sutalpinkime vieną į kitą su tarpais tarp plokštumų užpildytais nespūdžia substancija(kubai dėl paprastumo, gali būti ir balionai).
    -Visų kubų plokštumose pažymime taškus A1, A2, A3; B1,B2, B3 ir taip toliau iki F1,F2,F3, kur C plokštuma priešinga A.
    – vidiniame kube padegame dujas (tiesiog pasprogdiname ką tai) žodžiu visos plokštumos su tais taškais išsitaško šešiomis kryptimis.
    Žiūrim ka turim: -Sėdėdami taške A2 konstatuojam – A1 ir A3 nejuda!
    Gi iš ten pat žiūrėdami į B1 matome, kad jis tolsta, B2 sparčiau, o jau B3 dar sparčiau. Ir tas pats vyksta su gretutinių plokštumų atitinkamais taškais. C taškai nutolsta geičiausiai.
    Taigi „sėdėdamas“ A2(ar kitame) taške ir žinodamas gretutinių taškų trajektorijas galiu nustatyti įvykio (BB) kryptį ir vietą.
    Aišku čia viskas iš statinės būklės, jei tai būtų plėtimasis iš besisukančio taško atsirastų visokie išlinkimai ir pagreičiai. Kodėl su dujom ne taip?

    1. Nei viena, nei kita; tik pamatęs jūsų komentarą neturėjau laiko atsakyti, o paskui pamiršau, tai gerai, kad priminėte :)

      Jūsų pateiktas scenarijus nuo Visatos plėtimosi skiriasi keliais svarbiais aspektais, be to vieną dalyką interpretuojate negerai. Dabar paeiliui:
      1. Negera interpretacija: jei taškai B1, B2 ir B3 juda vienodu greičiu (ką implikuoja nurodyta simetrija bei taškų A1 ir A3 nejudėjimas taško A2 atžvilgiu), tai reiškia, kad šie taškai nuo taško A2 tols vienodais greičiais, o ne skirtingais.
      2. Svarbus skirtumas: esant taške A2, matome statiškus taškus A1 ir A3 netoliese, nors šių trijų taškų nesieja joks priežastinis ryšys (jie tiesiog juda vienodais greičiais nuo sprogimo centro). Visatos plėtimosi atveju taip nėra – visi objektai, kurie nėra surišti gravitaciškai, tolsta vienas nuo kito proporcingai atstumui tarp jų (taip, yra dar ir savieji judėjimai, bet juos paprastai įvertiname ir išprastiname nagrinėdami daugelio galaktikų rinkinius, o ne pavienes galaktikas).
      3. Svarbus skirtumas: būdamas taške A2, taškus B ir C (ir, žinoma, D, E bei F) matysiu daugmaž vienoje pusėje nuo savęs, o ne pasiskirsčiusius visomis kryptimis vienodai. Jei mes matytume Visatos kraštą kažkurioje pusėje, tada galėtume pagrįstai manyti, kad Didysis sprogimas įvyko priešinga kryptimi nuo mūsų. Bet, kadangi Visatos krašto nėra (ar bent jau tokio nematome), tai ir krypties nustatyti negalime.

      Atgal jums klausimas – jei paimame labai mažą balioną ir išpučiame jį į didesnį, kur ant baliono paviršiaus yra to plėtimosi centras?

      1. Pirmiausia pradėsiu nuo baliono. Aš tą pavyzdį žinojau(bet jo nesupratau, laikiau neteisingu) todėl ir paminėjau – gali būti ne kubai, o balionai. Baliono pūtimo eigoje ir galėtume fiksuoti taškus A1, A2, A3(ir visus kitus). Taigi mano baliono plėtimosi centras ne paviršiuje, o viduje – centre. Gal aš ieškau ne plėtimosi centro, o įvykių prądžios taško?.
        Pirmąjame punkte susimoviau – aišku ne greitis didėja, o atstumas. Gauname, kad tolimo greitis priklauso nuo atstumo – toliau esantys objektai tolsta greičiau bet nemanau, kad tolygiai. Čia aš ir bandau spausti ant to, kad nereiktų žinoti krašto, bet galima būtų apskaičiuoti įvykių pradžios kryptį.
        Kuo neteisingas mano modelis numatantis vieną sužadinimo(sprogimo) tašką ir nekintamą atstumą(kai sistema be pagreičio) tarp laisvai pasirinktų taškų spinduliuose ir atstumo didėjimo iki taškų gretutiniuose spinduliuose tolimo priklausomybę nuo kitų spindulių taškų trajektorijos kampo? (gudriai paklausiau:))

        1. Na nieko man kitaip neišeina su tuo balionu, kitaip netinka.
          Bandžiau paskaičiuoti taškų spinduliuose tolimą, -man gaunasi kažkokie nežymūs netolygumai link greitėjimo, bet gal dėl skaičiavimo paklaidos.
          O šiaip tai 90 laipsnių kampu pakrypusiuose spinduliuose taškų tolimas gaunasi 1:1,41(kai 1 yra taško poslinkis savams spindulyje).
          Taigi kuo dujos(ar visata) kitokios.

          1. Atsakiau į ankstesnį jūsų komentarą, lygtai ir apie skirtumą tarp jūsų kubo ir Visatos parašiau.

        2. Pagrindinis skirtumas tarp jūsų pasiūlytų kubų ir mano minimo baliono – jūs kalbate apie plėtimąsi erdvėje (kubai didėja), aš – apie dvimačio paviršiaus plėtimąsi (balionas pučiamas, bet mums rūpi tik jo paviršius ir atstumai matuojami tame paviršiuje). Visatos plėtimąsi galima palyginti su tokiu baliono paviršiaus plėtimusi, tik mūsų atveju „paviršių“ atitinka visa trimatė erdvė.

          Todėl ir Visatos plėtimasis neturi centro, kaip ir besiplečiančio baliono paviršius neturi plėtimosi centro. Plėtimosi centras yra baliono centre, kuris nepriklauso jo paviršiui; Visatos atveju gali būti analogiškai – galbūt mūsų erdvė plečiasi kažkokiame didesnių matmenų darinyje, kurio atžvilgiu turi plėtimosi centrą. Bet pačioje erdvėje mes to plėtimosi centro užčiuopti negalime ir visi erdvės taškai yra vienodai arti/toli nuo jo.

          „toliau esantys objektai tolsta greičiau bet nemanau, kad tolygiai“ – jei plėtimasis nebūtų tolygus, tada galėtume kalbėti apie kažkokį centrą, nes egzistuotų „privilegijuoti“ taškai erdvėje. Bet becentrio plėtimosi pagrindinis požymis ir yra, kad greitis didėja proporcingai atstumui, kaip ir stebima mūsų Visatoje.

          „Kuo neteisingas mano modelis…“ – jūsų modelis pats iš savęs nėra neteisingas, tiesiog jis neatitinka to, ką stebime Visatoje. Jei stebėtume skirtingą plėtimąsi skirtingomis kryptimis, galėtume kalbėti apie kažkokio centro egzistavimą. Bet nestebime, todėl negalime.

          1. Nesuprantu erdvės vaizdavimo plokštumoje.
            O Jūsų pastebėjimas apie kažkokių didesnių matmenų darinį man patiko, čia palikot vietos mano fantazijai: – jei regimosios visatos plėtimasis vyksta „laabai“ dideliuose matmenyse, gal tolimo greičių skirtumai gali būti neapčiuopiami tik dėl nykstamai mažų jų dydžių beveik lygiagrečiuose spinduliuose (bet skirtumai yra) . Jei mano modelis nėra nesąmonė (jis juk numato tolygų taškų tolimą „visomis kryptimis“ su sąlyga, kad nematuosime savojo spindulio taškų), o jei stebėjimų duomenys rodo kitaip – gal jie nėra tikslūs. Pvz. : netinkamas stebėjimo taškų parinkimas.

            1. Nepamiršau šito komentaro, tik vis nerandu laiko išsamiau atsakyti. Pasistengsiu dar ilgiau netempti, nei jau užtempiau :)

Leave a Reply

El. pašto adresas nebus skelbiamas. Būtini laukeliai pažymėti *