"จักรวาลเร็วกว่าแสง" จริงหรือ? อธิบายเหตุผลที่ทฤษฎีสัมพัทธภาพไม่พังทลายอย่างง่ายๆ

"การขยายตัวของจักรวาลที่เร็วกว่าแสง" ทำไมถึงไม่ทรยศต่อไอน์สไตน์

"จักรวาลกำลังขยายตัวเร็วกว่าแสง"

เมื่อเห็นประโยคนี้บนไทม์ไลน์ หลายคนอาจคิดว่า

"เอ๊ะ ทฤษฎีสัมพัทธภาพจบแล้วเหรอ?"

แต่ถ้าพูดถึงข้อสรุป ไอน์สไตน์ไม่ได้ถูกทรยศเลย
ในจักรวาลวิทยาล่าสุด การที่ "ความเร็วในการขยายตัวของจักรวาลทั้งหมด" เกินความเร็วแสงนั้น กลับถูกเข้าใจว่าเป็นเรื่อง "ธรรมดา"Phys.org

แล้วมันเป็นกลไกอย่างไร? เราจะจัดระเบียบตามบทความอธิบายที่เผยแพร่ใน Phys.org "Yes, the universe can expand faster than light" พร้อมกับเก็บความประหลาดใจและความเข้าใจผิดที่แพร่กระจายบนโซเชียลมีเดียPhys.org

ข้อจำกัดความเร็วแสงเป็น "กฎท้องถิ่น"

ทฤษฎีสัมพัทธภาพห้าม "เมื่อสังเกตจากที่เดียวกัน วัตถุเคลื่อนที่เร็วกว่าแสง"
ไม่ว่าจะเป็นจรวดหรือยานอวกาศ ความเร็วเมื่อผ่านไปข้างๆ จะต้องไม่เกินความเร็วแสง

สิ่งสำคัญที่นี่คือ

• ความเร็วที่ "วัตถุเคลื่อนที่ในอวกาศ" (ท้องถิ่น)

• ความเร็วที่ "อวกาศเองยืดหด" (ทั่วโลก)

เป็นสิ่งที่แตกต่างกัน

ในทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป อวกาศเองสามารถขยายตัวได้เร็วแค่ไหนก็ได้
การถูกจับข้อหาความเร็วเกินคือจรวด แต่ "ถนนเอง" ที่ยืดออกไปเองไม่ถูกลงโทษ...เป็นภาพลักษณ์

การขยายตัวของจักรวาลคือปรากฏการณ์ที่ "ถนน (อวกาศ) ยืดออก" นี้
กาแล็กซีโดยทั่วไป "นั่งอยู่" ในที่นั้น และเมื่ออวกาศขยายตัว ผลลัพธ์คือมันจะห่างออกไป

อายุของจักรวาลคือ 13.77 พันล้านปี แต่จักรวาลที่สามารถสังเกตได้มี "รัศมี 45 พันล้านปีแสง"

ลองมาดูตัวเลขแล้วสับสนกันต่อ

• อายุของจักรวาล: ประมาณ 13.77 พันล้านปี

• ระยะทางที่ไกลที่สุดที่เราสามารถ "เห็น" ได้ในปัจจุบัน: ประมาณ 45 พันล้านปีแสงPhys.org

"เอ๊ะ ทำไมถึงเห็นได้ไกลถึง 45 พันล้านปีแสง ทั้งที่ผ่านไปเพียง 13.8 พันล้านปี?"
ช่องว่างนี้เป็นหลักฐานว่า "การขยายตัวของจักรวาลเกินความเร็วแสง"

จุดสำคัญคือในขณะที่แสงเดินทาง จักรวาลยังคงขยายตัวต่อไป

1. กาแล็กซีที่เกิดขึ้นหลังบิ๊กแบงปล่อยแสง

2. แสงนั้นใช้เวลาหลายพันล้านปีเดินทางมายังโลก

3. ในระหว่างนั้นอวกาศยังคงยืดออกไป

4. เมื่อแสงมาถึงเราใน "ตอนนี้" กาแล็กซีนั้นได้ไปไกลกว่าที่เคยอยู่มาก

ผลลัพธ์คือ"ตำแหน่งปัจจุบันของกาแล็กซีที่เราเห็นไกลที่สุด" จะไกลกว่าระยะทางที่แสงเดินทางมา
ในจักรวาลวิทยา ระยะทางนี้เรียกว่า "ขอบฟ้าของอนุภาค" และค่าปัจจุบันคือประมาณ 45 พันล้านปีแสงPhys.org

เมื่อเกินระยะทาง Hubble จะดูเหมือนว่าห่างออกไปเร็วกว่าแสง

ความเร็วในการขยายตัวของจักรวาลจะเพิ่มขึ้นตามระยะทาง

นี่เป็นที่รู้จักกันในชื่อกฎของฮับเบิล

ยิ่งกาแล็กซีอยู่ไกลเท่าไร ความเร็วในการถอยหลัง (ความเร็วที่ห่างออกไป) ก็ยิ่งมากขึ้น

ซึ่งสามารถแสดงได้ด้วยสมการง่ายๆ

เมื่อขยายสมการนี้ จะมีจุดที่ "ความเร็วในการถอยหลัง = ความเร็วแสง" ปรากฏขึ้น
ซึ่งเรียกว่า ระยะทางฮับเบิล ในโมเดลมาตรฐานของจักรวาลวิทยาสมัยใหม่ ΛCDM อยู่ที่ประมาณ 13.77 พันล้านปีแสงPhys.org

• กาแล็กซีที่ใกล้กว่าระยะทางฮับเบิล
  → ความเร็วในการถอยหลังน้อยกว่าความเร็วแสง

• กาแล็กซีที่ไกลกว่าระยะทางฮับเบิล
  → ความเร็วในการถอยหลังเกินความเร็วแสง (ดูเหมือน)

"เอ๊ะ งั้นก็เคลื่อนที่เร็วกว่าแสงสิ!" คุณอาจคิดเช่นนั้น แต่สิ่งที่ต้องระวังคือ

สิ่งที่เคลื่อนที่ไม่ใช่ตัวกาแล็กซีเอง แต่เป็น "อวกาศระหว่างเรากับกาแล็กซี"

ดังนั้นจึงไม่ขัดแย้งกับทฤษฎีสัมพัทธภาพที่กำหนดข้อจำกัดความเร็วในท้องถิ่น

"แสงที่ออกมาตอนนี้" เป็นขอบเขตที่ไม่สามารถมาถึงได้อีกต่อไป ขอบฟ้าของเหตุการณ์ในจักรวาล

สิ่งที่ซับซ้อนยิ่งกว่าคือแนวคิดที่เรียกว่า "ขอบฟ้าของเหตุการณ์ในจักรวาล"Phys.org

• ขอบฟ้าอนุภาค...ระยะทางที่ไกลที่สุดของ "แสงที่เคยถึง" (ประมาณ 45 พันล้านปีแสง)

• ขอบฟ้าของเหตุการณ์...ขอบเขตที่ "แสงที่ปล่อยออกมาในขณะนี้จะไม่สามารถมาถึงได้ในอนาคต"

ตามบทความของ Phys.org ขอบฟ้าของเหตุการณ์อยู่ที่ประมาณ 17 พันล้านปีแสง ในปัจจุบันPhys.org

แสงที่กาแล็กซีภายนอกระยะทางนี้ปล่อยออกมา "ตอนนี้" จะไม่สามารถมาถึงเราได้ไม่ว่าจะรอนานแค่ไหน
เนื่องจากจักรวาลกำลังขยายตัวอย่างเร่งด่วน พื้นที่ที่ห่างออกไปเร็วกว่าแสงจึงเพิ่มขึ้นเรื่อยๆ

แม้ชื่อจะคล้ายกับขอบฟ้าของหลุมดำ แต่ที่นี่เรากำลังพูดถึง "ขอบฟ้าของจักรวาลทั้งหมด"
เป็นเส้นขอบที่ข้อมูลจะไม่สามารถมาถึงได้ตลอดกาลเนื่องจากการขยายตัวของจักรวาล

ในอีก 100 พันล้านปี จักรวาลจะมองเห็นได้เพียง "กลุ่มกาแล็กซีท้องถิ่น"

ตามโมเดล ΛCDM จักรวาลจะถูกครอบงำโดยพลังงานมืดและจะขยายตัวอย่างเร่งด่วนต่อไปPhys.org

ภาพอนาคตนั้นค่อนข้างเหงา

• ขอบฟ้าของเหตุการณ์จะหยุดที่ประมาณ 60 พันล้านปีแสง ในอนาคต

• ในระหว่างนั้น แสงที่มาจากกาแล็กซีที่ห่างไกลจะถูกเลื่อนเป็นสีแดงและยาวขึ้นจนไม่สามารถสังเกตได้Phys.org

ตามคำอธิบายของ Phys.orgในอีกประมาณ 100 พันล้านปีข้างหน้า จักรวาลนอกกลุ่มกาแล็กซีท้องถิ่น (กลุ่มเล็กๆ ที่มีทางช้างเผือกและกาแล็กซีแอนโดรเมดา) จะหายไปจากสายตาPhys.org

แม้ว่าจะมีอารยธรรมเหลืออยู่ในจักรวาลในเวลานั้น พวกเขาอาจ

"คิดว่ามีกลุ่มกาแล็กซีนี้เพียงกลุ่มเดียวที่มีอยู่เสมอมา เป็นจักรวาลที่เงียบสงบ"

เข้าใจผิด
การเข้าถึงทฤษฎีบิ๊กแบงจะยากขึ้นมากกว่าที่เป็นอยู่ในปัจจุบัน

การตอบสนองต่อ "จักรวาลที่เร็วกว่าแสง" ที่แพร่กระจายใน SNS

บทความนี้ที่