Om universum expanderar kan vi förstå varför avlägsna galaxer drar sig tillbaka från oss som de gör. Men varför expanderar inte stjärnor, planeter och tom atomer också? (C. FAUCHER-GIGUÈRE, A. LIDZ, OCH L. HERNQUIST, SCIENCE 319, 5859 (47))

Det är därför vi inte expanderar, även om universum är det

Universum expanderar, men vi, vår planet, solsystemet och galaxen är inte alla. Här är varför.

Ta en titt på nästan alla galaxer i universum så ser du att den flyttar bort från oss. Ju längre bort det är, desto snabbare verkar det försvinna. När ljuset sträcker sig genom universum förflyttas det till längre och rödare våglängder, som om rymdens tyg sträcker sig. På de största avstånden skjuts galaxerna bort så snabbt av detta expanderande universum att inga signaler vi eventuellt kan skicka någonsin når dem, även med ljusets hastighet.

Men även om rymdväven expanderar över hela universum - överallt och i alla riktningar - är vi inte det. Våra atomer förblir i samma storlek. Så gör planeterna, månarna och stjärnorna såväl som avstånden som skiljer dem. Till och med galaxerna i vår lokala grupp expanderar inte bort från varandra; istället drar de mot varandra. Här är nyckeln till att förstå vad som utvidgas (och inte) i vårt expanderande universum.

Den ursprungliga uppfattningen av rymden, tack vare Newton, som fast, absolut och oföränderlig. Det var ett stadium där massor kunde existera och locka till sig. (AMBER STUVER, FRÅN Hennes BLOGG, LEVER LIGO)

Det första vi måste förstå är vad vår teori om tyngdkraft är och hur den skiljer sig från hur du kan tänka på den intuitivt. De flesta av oss tänker på rymden som Newton gjorde: som en fast, oföränderlig uppsättning koordinater som du kan placera dina massor på. När Newton först tänkte på universum, föreställde han rymden som ett rutnät. Det var en absolut, fast enhet fylld med massor som gravitationellt lockade varandra.

Men när Einstein kom med, insåg han att detta imaginära rutnät inte var fixerat, inte var absolut och inte alls som Newton hade föreställt sig. Istället var detta rutnät som ett tyg, och tyget i sig var krökt, förvrängd och tvingat att utvecklas över tid av närvaron av materia och energi. Dessutom bestämde materien och energin i det hur denna rymdduk var böjd.

Förskjutningen av rymdtiden, i den allmänna relativistiska bilden, av gravitationsmassor. I stället för ett konstant, oföränderligt rutnät, medger General Relativity en rymdtidstyg som både kan förändras över tid och vars egenskaper kommer att se annorlunda ut från observatörer med olika rörelser och på olika platser. (LIGO / T. PYLE)

Men om allt du hade inom din rymdtid var ett gäng massor, skulle de oundvikligen kollapsa för att bilda ett svart hål och implodera hela universumet. Einstein gillade inte den idén, så han lägger till en "fix" i form av en kosmologisk konstant. Om det fanns en extra term - som representerar en extra form av energi som genomsyrar tomt utrymme - skulle det kunna avvisa alla dessa massor och hålla universum statiskt. Det skulle förhindra en gravitationskollaps. Genom att lägga till denna extrafunktion kan Einstein få universum att existera i ett nästan konstant tillstånd för all evighet.

Men inte alla var så gifta med tanken att universum behövde vara statisk. En av de första lösningarna var av en fysiker vid namn Alexander Friedmann. Han visade att om du inte lägger till den här extra kosmologiska konstanten och du hade ett universum som var fylld med något energiskt - materia, strålning, damm, vätska, etc. - fanns det två klasser av lösningar: en för ett kontraherande universum och ett för ett expanderande universum.

Modellen

Matematiken berättar om möjliga lösningar, men du måste titta till det fysiska universum för att hitta vilken av dessa som beskriver oss. Det kom på 1920-talet, tack vare Edwin Hubbles arbete. Hubble var den första som upptäckte att enskilda stjärnor kunde mätas i andra galaxer och bestämde deras avstånd.

Nästan samtidigt med detta var arbetet från Vesto Slipher. Atomer fungerar på samma sätt överallt i universum: de absorberar och avger ljus vid vissa specifika frekvenser som beror på hur deras elektroner är upphetsade eller de-exciterade. När han såg dessa avlägsna föremål - som vi nu vet att är andra galaxer - skiftades deras atomunderskrifter till längre våglängder än vad som kunde förklaras.

När forskare kombinerade dessa två observationer dök ett otroligt resultat ut.

Ett diagram över den uppenbara expansionshastigheten (y-axeln) kontra avståndet (x-axeln) överensstämmer med ett universum som expanderade snabbare tidigare men fortfarande expanderar idag. Detta är en modern version av, som sträcker sig tusentals gånger längre än Hubbles originalverk. De olika kurvorna representerar universum tillverkade av olika beståndsdelar. (NED WRIGHT, BASERAD PÅ DE SISTA DATA FRÅN BETOULE ET AL. (2014))

Det fanns bara två sätt att känna till detta. Antingen:

  1. all relativitet var fel, vi var i centrum av universum, och allt rörde sig symmetriskt från oss, eller
  2. relativiteten var rätt, Friedmann hade rätt, och ju längre bort en galax var från oss, i genomsnitt, desto snabbare tycktes den avta från vårt perspektiv.

Med ett fall kom det expanderande universum från att vara en idé till att vara den ledande idén som beskriver vårt universum. Hur expansionen fungerar är lite motsatt. Det är som om rymdens textil sträcker sig över tiden och alla föremål inom det rymden dras isär från varandra.

Ju längre bort ett föremål är från ett annat, desto mer "sträckning" inträffar, och desto snabbare verkar de förflytta sig från varandra. Om allt du hade var ett universum fyllt enhetligt och jämnt med materia, skulle den materien helt enkelt bli mindre tät och skulle se allt utvidgas från allt annat när tiden gick.

De kalla svängningarna (visade i blått) i CMB är inte i sig kallare, utan representerar snarare områden där det finns en större gravitationsdragning på grund av en större materialtäthet, medan de heta fläckarna (i rött) bara är varmare eftersom strålningen i regionen lever i en grundare gravitationsbrunn. Med tiden kommer de överdrivna regionerna att bli mycket mer benägna att växa till stjärnor, galaxer och kluster, medan de mindre täta regionerna kommer att vara mindre benägna att göra det. (EM HUFF, SDSS-III-TEAMET OCH SYDPOLE-TELESKOPT-TEAMET; GRAFIK AV ZOSIA ROSTOMIAN)

Men universumet är inte perfekt jämnt och enhetligt. Det har överdrivna regioner, som planeter, stjärnor, galaxer och galaxkluster. Det har underdenserade regioner, som stora kosmiska tomrum där det nästan inte finns några massiva föremål alls.

Anledningen till detta är att det finns andra fysiska fenomen som spelas förutom universums expansion. På små skalor, liksom skalorna från levande varelser och under, dominerar de elektromagnetiska krafterna och kärnkrafterna. På större skalor, som planeter, solsystem och galaxer, dominerar gravitationskrafter. Den stora tävlingen inträffar på de största skalorna av alla - i hela universumets skala - mellan universumets expansion och gravitationsattraktionen för all materia och energi som finns i det.

På de största skalorna expanderar universum och galaxer avtar från varandra. Men på mindre skalor övervinner gravitationen expansionen, vilket leder till bildandet av stjärnor, galaxer och galaxkluster. (NASA, ESA, AND A. FEILD (STSCI))

På de största skalorna av alla vinner expansionen. De mest avlägsna galaxerna expanderar bort så snabbt att inga signaler vi skickar ut, även med ljusets hastighet, någonsin kommer att nå dem.

Universumets superkluster - dessa långa, glödtrådiga strukturer befolkade med galaxer och sträcker sig i över en miljard ljusår - sträcks och dras isär av universums expansion. På relativt kort sikt, under de närmaste miljarder åren, kommer de att upphöra att existera. Till och med Milky Way: s närmaste stora galaxkluster, Virgo-klustret, bara 50 miljoner ljusår bort, kommer aldrig att dra oss in i det. Trots en dragkraft som är mer än tusen gånger så kraftfull som vår egen, kommer universums expansion att fördriva allt detta isär.

En stor samling av många tusentals galaxer utgör vårt närliggande område inom 100 000 000 ljusår. Virgo-klustret i sig kommer att förbli bundet ihop, men Vintergatan kommer att fortsätta att expandera bort från det när tiden går. (WIKIMEDIA COMMONS ANVÄNDARE ANDREW Z. COLVIN)

Men det finns också mindre skalor där utvidgningen har övervunnits, åtminstone lokalt. Det är mycket lättare att besegra expansionen av universum över mindre avståndsskalor, eftersom tyngdkraften har mer tid att växa överdrivna regioner på mindre skalor än på större.

I närheten förblir Virgo-klustret själv gravitationsbundet. Vintergatan och alla lokala gruppgalaxer kommer att förbli bundna ihop och så småningom smälta samman under sin egen tyngdkraft. Jorden kommer att kretsa kring solen på samma omloppsavstånd, jorden själv kommer att förbli i samma storlek, och atomerna som utgör allt på den kommer inte att expandera.

Varför? Eftersom universums expansion bara har någon effekt där en annan kraft - oavsett om det är tyngdkraft, elektromagnetisk eller kärnkraftig - ännu inte har övervunnit den. Om någon kraft framgångsrikt kan hålla ett objekt tillsammans påverkar inte ens det expanderande universum en förändring.

TRAPPIST-1-system jämfört med solsystemets planeter och Jupiters månar. Banorna i allt som visas här är oförändrade med universums expansion, på grund av den bindande tyngdkraften som övervinner eventuella effekter av denna expansion. (NASA / JPL-CALTECH)

Anledningen till detta är subtil och är relaterad till det faktum att själva expansionen inte är en kraft utan snarare en takt. Rymden expanderar fortfarande på alla skalor, men utvidgningen påverkar bara saker och ting kumulativt. Det finns en viss hastighet som utrymmet kommer att utvidgas mellan två punkter, men du måste jämföra den hastigheten med flyghastigheten mellan dessa två objekt, vilket är ett mått på hur tätt eller löst de är bundna ihop.

Om det finns en kraft som binder dessa föremål som är större än bakgrundens expansionshastighet kommer det inte att öka avståndet mellan dem. Om det inte finns någon ökning av avståndet, finns det ingen effektiv utvidgning. På varje ögonblick är det mer än motverkas, och det får aldrig den tillsatseffekten som dyker upp mellan obundna objekt. Som ett resultat kan stabila, bundna föremål överleva oförändrade under en evighet i det expanderande universum.

Oavsett om det är bundet av tyngdkraften, elektromagnetismen eller någon annan kraft kommer storleken på stabila, sammanhållna föremål inte att förändras även när universum expanderar. Om du kan övervinna den kosmiska expansionen förblir du bunden för alltid. (NASA, AV JORD OCH MARS TILL SKALA)

Så länge universum har de egenskaper vi mäter det att ha kommer detta att förbli fallet för alltid. Mörk energi kan existera och få de avlägsna galaxerna att accelerera bort från oss, men effekten av expansionen över ett fast avstånd kommer aldrig att öka. Endast i fallet med en kosmisk "Big Rip" - som bevisen pekar bort från, inte mot - kommer denna slutsats att förändras.

Rymdväven i sig expanderar fortfarande överallt, men det har inte en mätbar effekt på varje objekt. Om någon kraft binder dig tillräckligt kraftigt kommer det expanderande universum inte att ha någon effekt på dig. Det är bara på de största skalorna av alla, där alla bindningskrafter mellan föremål är för svaga för att besegra den snabba Hubble-hastigheten, som expansionen sker alls. Som fysiker Richard Price en gång uttryckte det: "Din midja sprider sig, men du kan inte skylla på den vid universums expansion."

Starts With A Bang är nu på Forbes och publiceras på Medium tack vare våra Patreon-supportrar. Ethan har författat två böcker, Beyond The Galaxy, och Treknology: The Science of Star Trek från Tricorders till Warp Drive.