Мені шкода, що це питання, мабуть, нерозумно для професійних астрономів, з яких я не один.
Це питання аж ніяк не дурне. Ваше питання є загальним щодо космології (вивчення, звідки походить Всесвіт, як він розвивається і якою буде його доля). Засоби масової інформації часто розбивають ці поняття жахливо, внаслідок чого виникає велика плутанина (з усієї наукової інформації вони, як видається, найважче точно повідомляють про космологію). Ваша допитливість, безумовно, хороша річ.
Коли астрономи кажуть, що ранній Всесвіт був малим, чи просто вони означають, "частина Всесвіту, яка відповідає нашому спостережуваному Всесвіту, була малою"?
Ну, вони зазвичай мають на увазі весь Всесвіт. У своєму останньому абзаці я пояснюю, що це означає для спостережуваної Всесвіту.
Якщо воно нескінченне, то, здавалося б, воно мало бути нескінченним і в грудному віці, просто дуже щільним. Насправді, здається, "в межі", це мало бути нескінченним навіть на Великому вибуху.
Ти ближче до істини. Коли ми говоримо про розширення Всесвіту, ми дійсно говоримо, що між усіма матеріями створюється простір.
Як ви вже згадували, Всесвіт може бути нескінченною. Це не як кулька, а скоріше як плоска сітка, і її «розширення» просто означає, що відстані між об’єктами на сітці стають все більшими. По суті, між об’єктами створюється більше місця. Це ми маємо на увазі під розширенням - що об’єкти віддаляються один від одного, оскільки між ними створюється більше місця. Нижче наведено подарунок, який я продемонстрував:
Більш корисним способом описати це - сказати, що сітка розширюється - саме простір, як система координат, зростає. Як аналогія, уявіть, як вигулюєте свою собаку. Раптом земля починає розширюватися між вами. Ви з вашою собакою розлучитеся і продовжите віддалятися один від одного.
Тож те саме відбувається і з нашим Всесвітом. Сітка насправді зростає, і об’єкти з неї змітаються.
Гаразд, тепер, коли ми звели основні поняття, я введу ще один біт термінології. "Коефіцієнт масштабу Всесвіту" відноситься до того, наскільки Всесвіт розширився, порівняно з нині. Наприклад, якщо за мільярд років коефіцієнт масштабу дорівнює 3, це означає, що кожен об’єкт у Всесвіті в 3 рази далі один від одного порівняно з нині. Якщо масштабний коефіцієнт 700 мільйонів років тому становив 0,8, то тоді все було ближче до коефіцієнта 0,8. За визначенням, масштабний коефіцієнт зараз 1.
Отже, якщо Всесвіт розширюється зараз, ми очікуємо, що він буде меншим, коли ми озиратимемося назад у часі - тобто коефіцієнт масштабу буде меншим. Загальна відносність передбачає, що коефіцієнт масштабу дорівнюватиме нулю на 13,8 мільярда років тому. Це означало б, що кожен об’єкт був би в нуль менший від його поточної відстані від нас - іншими словами, місця не було б.
Якщо ви думаєте, що Всесвіт без простору неможливий, ви маєте рацію. У нас, мабуть, протиріччя. У GR не може бути простору з нульовим простором.
Наші сучасні фізичні теорії спрацьовують декілька частин секунди після моменту суперечності, і наші спостереження узгоджуються з ідеєю надзвичайно щільного раннього Всесвіту. Однак наші теорії руйнуються, коли ми намагаємося моделювати Всесвіт у більш ранні та більш ранні часи, поки вони більше не виявляться точними, заважаючи нам пояснити найцікавіший момент.
Ось чому момент Великого вибуху є однією з найбільших загадок космології. Такі теорії, як квантова гравітація, виникли, щоб спробувати пояснити умови поблизу Великого вибуху, але жодної з них недостатньо.
Я часто чую на лекціях, що одразу після Великого вибуху всесвіт був невеликим, скажімо, розміром з грейпфрута чи щось подібне.
Дійсно, проблема випливає з неоднозначності, коли можна сказати "Всесвіт". У цьому випадку вони мають на увазі спостережуваний Всесвіт, який насправді є сферичним. Спостережуваний Всесвіт був дійсно значно меншим за часів Великого вибуху, порівняно з його радіусом зараз.
Це тому, що його радіус насправді залежить від масштабного коефіцієнта нашого Всесвіту *, а це означає, що в даний момент GR прогнозує коефіцієнт масштабу дорівнює нулю, він також передбачає, що розмір спостережуваної Всесвіту дорівнює нулю.
Очевидно, що це не може бути так, оскільки, як ми пояснили вище, не повинно бути можливим значення коефіцієнта масштабу. Однак ми можемо з розумною впевненістю сказати, що спостерігається Всесвіт, ймовірно, розмір грейпфрута в один момент, якщо не менший (хоча "грейпфрут" здається довільним вибором для порівняння. Я не можу знайти папір, який вперше використовує це аналогія, тому що вони спочатку мали на увазі трохи незрозуміло).
* Вимірювання відстаней насправді трохи складне в космології; в деяких випадках ми хочемо поговорити про відстані або рух предметів, нехтуючи розширенням Всесвіту. Щоб заощадити вам необхідність вивчити багато термінології, я зараз беру до уваги розширення Всесвіту, коли говорити про розміри, які можна спостерігати. Спостерігається Всесвіт також зростає завдяки чинникам, крім розширення Всесвіту, тобто світлу від подальших і подальших галактик, що досягають нас.