Разширение на Вселената

Разширението на Вселената се счита за емпиричен факт^[1], обясняващ наблюдаемото разбягване на галактиките и редица други астрофизически феномени. То е увеличаване на разстоянието между всеки две различни точки от Вселената с течение на времето.^[2] Това не предполага наличието на пространство извън нея, т.е. самото пространство се увеличава. Реално предметите в него не се движат, а само мащабът или „метриката“ се изменя. Колкото е по-голямо разстоянието между две точки толкова повече пространство има между тях, така че далечните предмети видимо се отдалечават по-бързо. Тъй като това не е реално движение, за него не важи граничната скорост задавана от скоростта на светлината. Астрономически най-близките галактики са единствените, които не се разбягват от нашата гледна точка.

Фактите се съгласуват добре с разбирането, че темповете на разширение на Вселената се променят. Предполага се, че в инфлационната епоха, до около 10⁻³² секунди след Големия взрив, Вселената рязко се разширява, а обемът ѝ нараства поне 10⁷⁸ пъти; това е еквивалентно на разширяването на обект с дължина 1 нанометър (10⁻⁹ m) до приблизително 10,6 светлинни години (около 10¹⁷ m). В следващата епоха, траеща около 10 милиарда години, разширяването на пространството бавно продължава, като изглежда, че в последните около 2 – 3 милиарда години темпото му е нараствало, макар и незначително.

Съвременното обяснение за метричното разширение на пространството е предложено от физика Алан Гут през 1979 г., докато изследва защо днес не могат да се наблюдават магнитни монополи. Гут открива, че ако Вселената съдържа поле, имащо фалшив вакуум с положителна енергия, тогава според общата теория на относителността тя би генерирала експоненциално разширяване на пространството. Инфлационната теория прави Вселена като нашата много по-вероятна в контекста на теорията за Големия взрив. Все пак, според Роджър Пенроуз, инфлацията не разрешава главния проблем, който трябва да реши, а именно изключително ниската ентропия на ранната Вселена.^[3] За да изглежда по сегашния начин, Вселената трябва да е започнала от много фино настроени или „специални“ първоначални условия при Големия взрив.

Физиците предполагат съществуването на тъмна енергия, присъстваща като космологична константа в най-простите гравитационни модели, като начин да обяснят ускорението. Според най-простата екстраполация на текущия предпочитан космологичен модел (ламбда-CDM), това ускорение става все по-доминиращо в бъдещето. През юни 2016 г. учени от НАСА и ЕКА докладват, че Вселената се разширява до 5 – 9% по-бързо, отколкото се е предполагало по-рано, основавайки се на данни от телескопа Хъбъл.^[4]

През 1912 г. Весто Слайфър открива, че светлината от далечните галактики се отмества към червения край на спектъра,^[5][6] което по-късно бива интерпретирано като отдалечаване на галактиките от Земята. През 1922 г. Александър Фридман решавайки уравненията на Айнщайн за полето, намира теоретично потвърждение, че Вселената може да се разширява.^[7] През 1927 г. Жорж Льометър независимо от него достига до подобно заключение и също представя първото видимо доказателство за линейна връзка между разстоянието до галактиките и тяхната скорост на отдалечаване.^[8] Едуин Хъбъл потвърждава с наблюдения откритието на Льометър две години по-късно.^[9] Развивайки това откритие като космологичен принцип се предполага, че навсякъде всички галактики се отдалечават една от друга.

Математически метричното разширение се моделира с метриката на Фридман-Льометър-Робъртсън-Уокър. Моделът обаче е валиден само в големи мащаби (галактически струпвания и по-големи), тъй като там където гравитационното ускорение свързва материята достатъчно силно, метричното разширение не може да се наблюдава. Следователно, единствените галактики, отдалечаващи се една от друга в резултат на метрично разширение, са тези, разделени от космологични мащаби, по-големи от мащабите, свързвани с границите на гравитационен колапс.

Докато специалната теория на относителността не позволява физическите обекти да се движат по-бързо от светлината по отношение на локална отправна система, при метричното разширение на пространството се наблюдават далечни галактики и квазари, отдалечаващи се с привидна скорост, която неколкократно я надхвърля. Това означава, че след време светлина от тях ще престане да достига до нас и те ще са отвъд астрономическия хоризонт. Такива подробности са чест източник на объркване.^[10] Поради неинтуитивното естество на предмета и невнимателния подбор на думи, някои описания на метричното разширение на пространството и погрешните схващания, до които такива описания могат да доведат, са продължаващ предмет на обсъждане в сферата на образованието и в комуникацията на научните среди.^{[11][12][13][14]}