[Перевод] Спросите Итана №64: что происходит с материей при расширении Вселенной?

При расширении Вселенной излучение растягивается, и длины волн увеличиваются – но что происходит с материей?

Медленно растущее дерево приносит лучшие плоды
— Мольер

Сегодня конец недели, и поэтому мы, просмотрев ваши вопросы, выбрали один, который получит ответ в нашей колонке. Спрашивает Андрей Новак:

Теория Большого взрыва утверждает, что при расширении пространства-времени свет смещается в область увеличения длин волн. А влияет ли это расширение на частицы материи? Ведь их размер конечен.

Удивительный вопрос, если задуматься.

С одной стороны, удивительная история, начавшаяся в нашей Вселенной около 13,8 миллиардов лет назад, продолжает развиваться. Вся материя во Вселенной, во всех её формах, была в горячем и плотном состоянии, и расширялась. Она расширялась не так, как это происходит у фрагментов взрыва, но как тесто, подходящее в печи.

Если вы представите все частички материи в виде атомов хлеба, вы начнёте понимать, как работает расширение Вселенной.

С точки зрения каждого из атомов все другие атомы убегают от него, а те, что изначально находились дальше, убегают быстрее тех, что были ближе. Это происходит не оттого, что атомы двигаются, или удалённые атомы двигаются быстрее соседних – а оттого, что расширяется само пространство, где они живут.

А если расширяется пространство, то Вселенная проделывает удивительную штуку надо всем, что находится в ней.

Она всё охлаждает! Легко понять, почему это работает для излучения. У него есть определённая длина волны, и эта длина определяет его энергию.

Что же происходит при увеличении расстояний во Вселенной? Волны растягиваются, и энергии падают. Именно это позволило сформироваться атомам в море ионизированной плазмы: спонтанно образовывавшиеся электроны и ядра разбивались фотонами, но по мере охлаждения Вселенной, энергия фотонов уменьшалась, и её перестало хватать.

В результате у нас появились нейтральные атомы, а через 10-100 миллионов лет после этого они сколлапсировали в звёзды и галактики. По мере расширения Вселенной излучение охлаждается, так как волны растягиваются. Мы уже подробно объясняли этот эффект.

А что же насчёт материи? Ведь и материя сначала двигалась очень быстро, и её тоже что-то должно было охладить – или она не смогла бы сколлапсировать в звёзды и галактики. Помните – чтобы молекулярное облако скомковалось и сформировало звёзды, газ должен быть холодным. Иначе ничего не получится.

Да и вообще, чтобы галактика сформировалась, и материя оставалась гравитационно связанной в виде спиральной или эллиптической структуры, скорость частиц должна быть ниже скорости убегания для этой галактики. Для большинства галактик эта скорость составляет всего несколько сотен километров в секунду. И хотя это довольно быстро, вспомните, что изначально большинство атомов двигалось со скоростями в сотни тысяч километров в секунду!

И всё-таки сегодня во Вселенной хватает звёзд и галактик.

Так что же случилось с материей? Задумайтесь не только о том, как в расширяющейся Вселенной ведут себя волны, но также и о том, что это значит для частиц, движущихся с определёнными скоростями. Скорость – это расстояние, которое частица проходит за заданное время, точно так же, как длина волны – это расстояние между двумя соседними гребнями волны. Скорость частицы играет ту же роль, что длина волны у излучения: это мера кинетической энергии, присущей системе.

Излучение более высоких энергий (с меньшими длинами волн) ведёт себя больше похоже на гамма-лучи, и меньше – на радиоволны, а у частиц с большими скоростями и энергия тоже больше. Именно поэтому у более горячих частиц – с большей температурой – и скорости выше, поэтому в правильных условиях они и физической работы могут произвести больше.

При расширении Вселенной и увеличении расстояний между объектами увеличиваются не только длины волн, и падает не только энергия излучения. Скорости тоже падают – а значит, падает и энергия частиц! Подумайте сами: допустим, Вы двигаетесь со скоростью 100 км/с относительно некоей точки, а Вселенная расширяется со скоростью 10 км/с на килопарсек (скорость расширения исчисляется в скорости на единицу расстояни). Это в 1000 раз быстрее сегодняшнего расширения, но это хороший пример скоростей, бывших в прошлом. А килопарсек – это расстояние чуть больше 3000 световых лет.

Что случится, если вы будете путешествовать десять миллионов лет – время, требуемое телу, двигающемуся со скоростью 100 км/с на преодоление одного килопарсека?

Вы всё ещё двигаетесь со скоростью в 100 км/с относительно своего изначального положения, но оно находится уже в килопарсеке от вас. Оно удаляется от вас со скоростью в 100 км/с, но часть этой скорости – 10 км/с – относится на счёт расширения Вселенной. Поэтому, ваша скорость относительно расширяющейся Вселенной замедлилась, и теперь вы двигаетесь только со скоростью 90 км/с. А по мере расширения Вселенной ваша скорость продолжает падать.

Поэтому, в расширяющейся Вселенной излучение теряет энергию из-за красного смещения, но материя также теряет кинетическую энергию из-за расширения Вселенной!

Что ещё интереснее, так это возможность трактовать всё, что движется с околосветовой скоростью, как излучение. А всё, что движется сильно медленнее – как материю. Поэтому изначально даже частицы и протоны вели себя как излучение, а позже (сейчас, например) даже нейтрино начинают вести себя, как материя. Существуют модели, присваивающие небольшие, но ненулевые, массы покоя частицам вроде фотона и гравитона. Если Вселенная будет и дальше расширяться и охлаждаться, и эти частицы действительно обнаружат свою массу, они начнут вести себя, как материя, и охлаждаться, и – если тёмная энергия не раскидает всю материю друг от друга – они тоже начнут кучковаться!

Поэтому, Андрей, на частицы материи тоже влияет расширение Вселенной: они охлаждаются и теряют энергию. Для частиц, не двигающихся с релятивистскими скоростями, энергия пропорциональна квадрату скорости, поэтому, когда из-за расширения Вселенной энергия частицы уменьшается в два раза, её скорость уменьшается на 29% (в 1/√2). Протоны и нейтроны перестают быть релятивистскими, и начинают вести себя, как материя, когда Вселенной исполняется микросекунда; электроны – в возрасте секунды; нейтрино – десятки тысяч лет; фотоны и гравитоны, если у них действительно есть масса, будут вести себя не раньше, чем Вселенной будет квинтиллион лет!

Для формирования наблюдаемых нами сегодня молекул, звёзд, галактик и планет, потребовалось не только, чтобы излучение потеряло энергию, но и чтобы упала кинетическая энергия отдельных частиц. Нам очень повезло, что расширение Вселенной работает именно так – ведь из-за него получилась та Вселенная, что мы сейчас наблюдаем!

Спасибо за прекрасный вопрос, и надеюсь, что объяснение было сделано понятно для вас и для остальных. Присылайте мне ваши вопросы и предложения для следующих статей.