— Published on 15/11/2005 / Matematičko-fizički list 2/222 (2005. – 2006.).
Širenje svemira jedna je od najosnovnijih koncepcija moderne znanosti, ali i jedna od najčešće krivo shvaćenih. Hubbleovim otkrićem da je brzina udaljavanja galaksija razmjerna njihovoj udaljenosti postalo je jasno da se svemir širi. To je otkriće potaknulo nastanak teorije velikog praska po kojoj je svemir nastao iz početnog stanja ogromne temperature i gustoće.
Teorija velikog praska danas je najšire prihvaćena teorija nastanka i razvoja svemira. No izraz "veliki prasak" ne treba shvaćati doslovno. Veliki prasak nije bio poput bombe koja eksplodira u prethodno prazni prostor. Bila je to eksplozija samog prostora.
Strogo uzevši, teorija velikog praska govori vrlo malo o samom prasku. Ona opisuje što se zbilo nakon njega. Ta je priča vrlo zanimljiva, no izvan je opsega ovog teksta. Osim teorije velikog praska, za razumijevanje svemira ključna je još jedna važna fizikalna teorija – Einseinova teorija relativnosti. Posebna teorija relativnosti opisuje prostor i vrijeme, a opća tvar u prostor-vremenu odnosno gravitaciju. Jedna od temeljnih postavki teorije relativnosti je konstantna brzina svjetlosti, a fascinantna posljedica te pretpostavke je činjenica da je brzina svjetlosti gornja granica brzine kojom se tvar može relativno gibati u prostoru. Obje teorije temeljne su fizikalne teorije koje su danas za većinu astrofizičara i astronoma neupitne. No, kako su kozmološke udaljenosti i brzine bliske brzini svjetlosti daleko od zornih predodžbi, u nekim nas slučajevima odgovori na prividno jednostavna pitanja mogu jako iznenaditi.
Mali test iz kozmologije
Evo sažetog popisa pitanja na koja ponekad čak i fizičari i astronomi daju krivi odgovor:
Mogu li se galaksije udaljavati od nas brzinom većom od brzine svjetlosti? DA / NE
Možemo li vidjeti galaksije koje se eventualno udaljavaju brže od svjetlosti? DA / NE
Svemir je star oko 10 milijardi godina. Znači li to da je granica opažanja 10 milijardi svjetlosnih godina? DA / NE
Šire li se i objekti unutar svemira? DA / NE
Rasprava
Prvi je dojam naravno da NE. Einsteinova teorija relativnosti to zabranjuje. Međutim, točan odgovor je DA. Posebna teorija relativnosti zabranjuje da relativna brzina dvaju tijela u prostoru premaši brzinu svjetlosti c (ili ako su oba tijela materijalna, da dosegne c). Brzina kojom udaljene galaksije bježe od nas zapravo je brzina rastezanja samog prostora i posebna teorija relativnosti nema ništa s time. Relativno gibanje galaksija u prostoru određeno je gravitacijom, no za kozmološke udaljenosti dominira rastezanje prostora. Tek za relativno bliske galaksije (npr. unutar vlastitog skupa) gravitacija može prevladati. Npr. naša najbliža susjedna galaksija, Andromeda, ne udaljava se od nas nego putuje prema nama.
Prvi dojam, ponovo NE. Svjetlost iz takvih galaksija ne može nas doseći. No, točan je odgovor DA. Fotoni emitirani iz takvih galaksija početno nisu u stanju doći do nas. Ali, Hubbleova udaljenost nije stalna nego s vremenom raste i može obuhvatiti taj foton. Jednom kad se to dogodi, foton nam se približava i eventualno nas može doseći.
Brzopleti odgovor je DA. Fotoni iz najudaljenijeg kvazara starog skoro 10 milijardi godina putuje do nas 10 milijardi godina pa prevale put od 10 milijardi svjetlosnih godina. No, nije tako. Kako foton putuje, prostor kroz koji prolazi se rasteže, tako da prevali put koji je veći od 10 milijardi svjetlosnih godina. Račun pokazuje da je prevaljeni put približno tri puta veći. Tako je svjetlost iz najudaljenijeg kvazara zapravo prošla put od 30 milijardi svjetlosnih godina. To je ujedno današnja granica vidljivog svemira. I to nije sve. Drugi računi pokazuju da je polumjer zakrivljenosti svemira veći od 70 milijardi svjetlosnih godina. Tako je obujam vidljivog svemira manji od 10% ukupnog obujma svemira.
Pa, DA. Ako se sam prostor širi, širi se i sve u njemu. Ponovo krivo. Svemir raste, ali objekti unutar njega ne. Naš sunčev sustav, naša galaksija, druge galaksije pa čak i cijeli lokalni skupovi galaksija, područja su u kojima gravitacija nadmašuje širenje i drži objekte na okupu.