Anda sering dapat mendengar pernyataan oleh astrofisikawan dan kosmolog bahwa daerah yang sangat jauh dari Semesta bergerak menjauh dari kita lebih cepat dari kecepatan cahaya. Tapi apa sebenarnya artinya ini? Apakah yang mereka maksudkan adalah bahwa ada benda-benda di alam semesta yang dapat melebihi salah satu besaran paling mendasar.
Hukum relativitas khusus yang paling mendasar pada suatu waktu membawa Einstein pada realisasi ide paling terobosan dalam fisika - bahwa tidak ada yang bisa bergerak lebih cepat daripada cahaya. Partikel tak bermassa dalam ruang hampa bergerak dengan kecepatan cahaya, sementara yang lainnya - partikel dengan massa di suatu tempat atau partikel tak bermassa dalam medium - akan selalu bergerak lebih lambat dari kecepatan cahaya. Tetapi ketika berbicara tentang perluasan alam semesta, sering muncul pemikiran bahwa ini terjadi lebih cepat daripada kecepatan cahaya. Mari kita coba mencari tahu apakah ini benar.
Alam semesta seperti yang kita lihat sekarang telah ada selama sekitar 13,8 miliar tahun - sejak Big Bang yang panas. Tetapi jika Anda bertanya seberapa jauh kita dapat melihat ke segala arah, jawabannya bukan 13,8 miliar tahun cahaya, tetapi lebih banyak lagi. Jika Anda memikirkannya, Anda dapat membayangkan jarak dua kali lebih besar: jika sebuah objek yang memancarkan cahaya berjarak 13,8 miliar tahun cahaya dari "kita" 13,8 miliar tahun yang lalu, maka kemungkinan besar ia memancarkan cahaya, menjauh dari kita - bahkan mungkin pada kecepatan mendekati cahaya. Jika sebuah objek terang ada begitu lama dan terus-menerus bergerak menjauh dari kita dengan kecepatan 299.792 kilometer per detik, cahayanya hanya akan mencapai kita sekarang, meskipun objek itu sendiri sudah berjarak 27,6 miliar tahun dari kita. Ini semua terdengar masuk akal, tetapi mungkin membawa kita pada asumsi yang tidak terlalu bagus bahwa ruang itu sendiri statis.
Ruang yang kita tinggali tidak statis - ia mengembang. Selain itu, kita dapat mengukur tingkat ekspansi saat ini, seperti di masa lalu yang jauh dan seperti di semua era "pertengahan". Ternyata cahaya sebuah benda yang hanya berjarak 168 meter dari kita pada saat Big Bang (oke, 10-33 detik setelah Big Bang), akan mencapai kita hanya hari ini, setelah 13,8 miliar tahun, setelah perjalanan yang luar biasa dan tingkat peregangan yang tidak nyata, dan objek itu sendiri sekarang berjarak 46,1 miliar tahun cahaya.
“Aha! Anda berseru. "Jadi ruang telah berkembang lebih cepat dari kecepatan cahaya!"
Bukankah begitu? Hanya agar sesuatu dapat bergerak lebih cepat dari cahaya, ia harus memiliki kecepatan: sesuatu yang dapat diukur, misalnya, kilometer per detik. Tapi itu bukan bagaimana alam semesta mengembang.
Sebaliknya, ia memuai dengan kecepatan per satuan jarak. Ini biasanya diukur sebagai kilometer per detik per megaparsec, di mana megaparsec adalah sekitar 3,26 juta tahun cahaya. Jika kecepatan pemuaian adalah 70 km / s / Mpc, ini berarti bahwa rata-rata, sebuah benda yang terletak 10 Mpc dari kita bergerak menjauh dengan kecepatan 700 km / s dari sudut pandang kita, pada 200 Mpc - 14.000 km / s, dan di Dalam kasus sebuah objek 5000 Mpc, akan tampak bagi kita bahwa benda itu bergerak menjauh dengan kecepatan 350 ribu km / s.
Namun, apakah mengikuti dari sini bahwa beberapa benda bergerak lebih cepat dari cahaya? Mari kita kembali ke Relativitas Khusus Einstein dan berpikir tentang apa yang kita maksudkan ketika kita mengatakan bahwa tidak ada yang dapat bergerak lebih cepat daripada cahaya. Ini berarti bahwa jika Anda memiliki dua objek dalam peristiwa ruang-waktu yang sama - menempati ruang yang sama pada waktu yang sama - maka mereka tidak dapat bergerak relatif satu sama lain lebih cepat dari kecepatan cahaya. Bahkan jika salah satu dari mereka bergerak ke utara dengan 99% kecepatan cahaya, dan yang lainnya bergerak dengan kecepatan yang sama ke selatan, kecepatan mereka tidak akan menjadi 198% dari kecepatan cahaya relatif terhadap satu sama lain, tetapi akan sama dengan 99,995% dari kecepatan cahaya. Tidak peduli seberapa cepat masing-masing bergerak, mereka tidak akan pernah melebihi kecepatan cahaya relatif satu sama lain.
Itulah mengapa disebut relativitas: mengukur gerak relatif antara dua benda pada titik yang sama dalam ruang dan waktu. Tetapi jenis relativitas ini - Relativitas Khusus - menetapkan aturan di wilayah ruang Anda yang tidak mengembang. Relativitas umum menambahkan lapisan lain untuk ini: fakta bahwa ruang itu sendiri berkembang. Dengan mengukur jumlah materi biasa, materi gelap, energi gelap, neutrino, radiasi, dan hal-hal lain di alam semesta saat ini, serta bagaimana cahaya yang mencapai kita dari jarak yang berbeda di alam semesta bergeser ke spektrum merah sebagai akibat dari ekspansi, kita dapat menciptakan kembali seberapa besar ada alam semesta setiap saat di masa lalu.
Ketika alam semesta berusia sekitar 10 ribu tahun, bagiannya yang dapat diamati sudah berukuran 10 juta tahun cahaya. Ketika dia baru berusia satu tahun, alam semesta yang dapat diamati berukuran 100.000 tahun cahaya. Ketika dia hanya satu detik, dia sudah 10 tahun cahaya. Ya, semuanya terdengar seperti mengembang lebih cepat dari cahaya. Tetapi tidak pernah ada satu partikel pun yang bergerak lebih cepat dari cahaya dalam kaitannya dengan partikel lain yang berinteraksi dengannya.
Sebaliknya, ruang di antara partikel-partikel itu meluas, dalam proses di mana jarak di antara mereka meningkat, dan panjang gelombang radiasi di ruang ini diregangkan. Ini berlangsung selama miliaran tahun selama sejarah kosmik dan berlanjut hingga hari ini. Terlepas dari kenyataan bahwa kita tidak akan pernah dapat mencapai objek apa pun yang berusia lebih dari 15,6 miliar tahun saat ini, bahkan jika kita bergerak dengan kecepatan cahaya (yang menurut definisi tidak mungkin), itu bukan karena mereka bergerak menjauh. lebih cepat dari cahaya, tetapi karena ruang antara titik yang berbeda terus berkembang.
Takeaway utama adalah bahwa ruang tidak berkembang pada kecepatan tertentu, melainkan pada tingkat tertentu: pada kecepatan per satuan jarak. Akibatnya, semakin jauh objek yang Anda lihat, semakin besar pemuaian yang memengaruhi jarak di antara Anda. Semakin jauh suatu objek dari Anda, semakin merah akan muncul dan semakin cepat akan menjauh dari sudut pandang Anda. Tapi apakah itu lebih cepat dari cahaya? Untuk mengukur ini, Anda harus berada di area yang sama. Tidak ada yang bergerak lebih cepat daripada cahaya dalam kaitannya dengan lokasi Anda, dan ini dapat dikatakan tentang tempat mana pun di alam semesta kapan saja. Ruang mengembang, tetapi tidak lebih cepat dari cahaya; apalagi, ekspansi ini tidak memiliki kecepatan.