Jika Alam Semesta mengembang, kita dapat memahami mengapa galaksi yang jauh menjauh dari kita seperti mereka. Tapi mengapa tidak bintang, planet, dan bahkan atom mengembang juga? (C. FAUCHER-GIGUÈRE, A. LIDZ, DAN L. HERNQUIST, ILMU 319, 5859 (47))

Inilah sebabnya mengapa kami tidak berkembang, bahkan jika alam semesta ada

Semesta berkembang, tetapi kita, planet kita, tata surya, dan galaksi tidak semuanya. Inilah sebabnya.

Lihatlah hampir semua galaksi di Semesta, dan Anda akan menemukannya menjauh dari kami. Semakin jauh, semakin cepat tampaknya surut. Saat cahaya bergerak melalui Semesta, ia akan bergeser ke panjang gelombang yang lebih panjang dan lebih merah, seolah-olah jalinan ruang itu sendiri sedang diregangkan. Pada jarak terbesar, galaksi-galaksi didorong begitu cepat oleh alam semesta yang mengembang ini sehingga tidak ada sinyal yang dapat kita kirim yang akan mencapai mereka, bahkan pada kecepatan cahaya.

Tetapi meskipun jalinan ruang meluas ke seluruh Alam Semesta - di mana pun dan di segala arah - kita tidak. Atom-atom kita tetap berukuran sama. Begitu juga dengan planet, bulan, dan bintang, serta jarak yang memisahkannya. Bahkan galaksi-galaksi di Grup Lokal kami tidak berekspansi satu sama lain; mereka cenderung saling tertarik satu sama lain. Inilah kunci untuk memahami apa yang (dan tidak) berkembang di Semesta yang berkembang.

Konsep asli ruang, terima kasih kepada Newton, sebagai tetap, absolut dan tidak berubah. Itu adalah tahap di mana massa bisa eksis dan menarik. (AMBER STUVER, DARI BLOGNYA, LIGO LIVING)

Hal pertama yang harus kita pahami adalah apa teori gravitasi kita, dan bagaimana teori itu berbeda dari apa yang Anda pikirkan secara intuitif. Sebagian besar dari kita berpikir tentang ruang seperti yang dilakukan Newton: sebagai satu set koordinat yang tetap dan tidak berubah yang dapat Anda tempatkan massa Anda. Ketika Newton pertama kali memahami Alam Semesta, ia membayangkan ruang sebagai kotak. Itu adalah entitas absolut, tetap yang dipenuhi massa yang secara gravitasi menarik satu sama lain.

Tetapi ketika Einstein datang, dia menyadari bahwa kotak imajiner ini tidak tetap, tidak mutlak dan sama sekali tidak seperti yang dibayangkan Newton. Alih-alih, kisi-kisi ini seperti kain, dan kain itu sendiri melengkung, terdistorsi, dan dipaksa untuk berkembang seiring waktu dengan kehadiran materi dan energi. Selain itu, materi dan energi di dalamnya menentukan bagaimana kain ruangwaktu ini melengkung.

Lengkungan ruangwaktu, dalam gambar General Relativistic, oleh massa gravitasi. Alih-alih kotak yang konstan dan tidak berubah, General Relativity mengakui kain ruangwaktu yang dapat berubah seiring waktu dan yang propertinya akan tampak berbeda bagi pengamat dengan gerakan yang berbeda dan di lokasi yang berbeda. (LIGO / T. PYLE)

Tetapi jika semua yang Anda miliki dalam ruangwaktu Anda adalah sekelompok massa, mereka pasti akan runtuh untuk membentuk lubang hitam, menghancurkan seluruh Semesta. Einstein tidak menyukai gagasan itu, jadi dia menambahkan "perbaikan" dalam bentuk konstanta kosmologis. Jika ada istilah tambahan - mewakili bentuk energi ekstra yang menembus ruang kosong - itu bisa mengusir semua massa ini dan membuat Semesta statis. Itu akan mencegah keruntuhan gravitasi. Dengan menambahkan fitur tambahan ini, Einstein dapat membuat Semesta ada dalam keadaan hampir konstan untuk selamanya.

Tetapi tidak semua orang begitu terikat dengan gagasan bahwa Semesta perlu statis. Salah satu solusi pertama adalah oleh seorang ahli fisika bernama Alexander Friedmann. Dia menunjukkan bahwa jika Anda tidak menambahkan konstanta kosmologis tambahan ini, dan Anda memiliki Semesta yang dipenuhi dengan apa pun yang energik - materi, radiasi, debu, cairan, dll. - ada dua kelas solusi: satu untuk Semesta yang berkontraksi dan satu untuk Semesta yang berkembang.

Model 'roti kismis' dari Semesta yang mengembang, di mana jarak relatif meningkat ketika ruang (adonan) mengembang. Semakin jauh setiap dua kismis berasal dari satu sama lain, semakin besar pergeseran merah yang diamati pada saat cahaya ini diterima. (NASA / TIM ILMU WMAP)

Matematika memberi tahu Anda tentang solusi yang mungkin, tetapi Anda perlu melihat ke Alam Semesta untuk menemukan yang menggambarkan kami. Itu terjadi pada 1920-an, berkat karya Edwin Hubble. Hubble adalah yang pertama menemukan bahwa bintang individual dapat diukur di galaksi lain, menentukan jaraknya.

Hampir bersamaan dengan ini adalah karya Vesto Slipher. Atom bekerja sama di mana-mana di Semesta: mereka menyerap dan memancarkan cahaya pada frekuensi tertentu dan spesifik yang bergantung pada bagaimana elektron mereka tereksitasi atau tereksitasi. Ketika dia melihat benda-benda jauh ini - yang sekarang kita kenal sebagai galaksi lain - tanda tangan atomnya bergeser ke panjang gelombang yang lebih panjang daripada yang bisa dijelaskan.

Ketika para ilmuwan menggabungkan kedua pengamatan ini, hasil yang luar biasa muncul.

Plot dari laju ekspansi semu (sumbu y) vs jarak (sumbu x) konsisten dengan Semesta yang berkembang lebih cepat di masa lalu, tetapi masih berkembang hingga saat ini. Ini adalah versi modern dari, yang memperpanjang ribuan kali lebih jauh dari, karya asli Hubble. Berbagai kurva mewakili Universes yang terbuat dari komponen penyusun yang berbeda. (NED WRIGHT, BERDASARKAN DATA TERBARU DARI BETOULE ET AL. (2014))

Hanya ada dua cara untuk memahami hal ini. Antara:

  1. semua relativitas salah, kita berada di pusat Semesta, dan semuanya bergerak secara simetris menjauhi kita, atau
  2. relativitas adalah benar, Friedmann benar, dan semakin jauh galaksi berasal dari kita, rata-rata, semakin cepat ia surut dari perspektif kita.

Dengan satu gerakan, Semesta yang berkembang berubah dari sebuah gagasan menjadi gagasan utama yang menggambarkan Alam Semesta kita. Cara kerja ekspansi sedikit berlawanan dengan intuisi. Seolah-olah jalinan ruang itu sendiri semakin membentang dari waktu ke waktu, dan semua benda di dalam ruang itu diseret terpisah satu sama lain.

Semakin jauh suatu objek berasal dari yang lain, semakin banyak "peregangan" terjadi, dan semakin cepat mereka tampak surut satu sama lain. Jika yang Anda miliki hanyalah Semesta yang diisi secara seragam dan merata dengan materi, materi itu hanya akan menjadi kurang padat dan akan melihat segala sesuatu berkembang menjauh dari yang lainnya seiring berjalannya waktu.

Fluktuasi dingin (diperlihatkan dengan warna biru) pada CMB secara inheren tidak lebih dingin, tetapi lebih mewakili daerah-daerah di mana ada tarikan gravitasi yang lebih besar karena kepadatan materi yang lebih besar, sedangkan titik-titik panas (berwarna merah) hanya lebih panas karena radiasi di wilayah itu hidup di sumur gravitasi yang lebih dangkal. Seiring waktu, daerah overdense akan jauh lebih mungkin untuk tumbuh menjadi bintang, galaksi dan cluster, sedangkan daerah underdense akan cenderung melakukannya. (E.M. HUFF, TIM SDSS-III DAN TIM TELESCOPE SELATAN; GRAFIS OLEH ZOSIA ROSTOMIAN)

Tetapi Semesta tidak merata dan seragam. Ini memiliki daerah overdense, seperti planet, bintang, galaksi dan kelompok galaksi. Ia memiliki daerah yang tersembunyi, seperti kekosongan kosmik yang hebat di mana hampir tidak ada benda besar yang hadir sama sekali.

Alasan untuk ini adalah bahwa ada fenomena fisik lain yang berperan di samping ekspansi Semesta. Pada skala kecil, seperti skala makhluk hidup dan di bawahnya, gaya elektromagnetik dan nuklir mendominasi. Pada skala yang lebih besar, seperti planet, tata surya, dan galaksi, gaya gravitasi mendominasi. Persaingan besar terjadi pada skala terbesar dari semua - pada skala seluruh Semesta - antara ekspansi Semesta dan daya tarik gravitasi semua materi dan energi yang ada di dalamnya.

Pada skala terbesar, Semesta mengembang dan galaksi surut satu sama lain. Tetapi pada skala yang lebih kecil, gravitasi mengatasi ekspansi, yang mengarah pada pembentukan bintang, galaksi, dan kelompok galaksi. (NASA, ESA, DAN A. FEILD (STSCI))

Pada skala terbesar, ekspansi menang. Galaksi yang paling jauh berkembang begitu cepat sehingga tidak ada sinyal yang kami kirim, bahkan dengan kecepatan cahaya, yang akan mencapai mereka.

Para superclusters of the Universe - struktur filamen panjang yang dihuni oleh galaksi-galaksi dan membentang selama lebih dari satu miliar tahun cahaya - sedang diregangkan dan ditarik terpisah oleh ekspansi Semesta. Dalam jangka waktu yang relatif singkat, selama beberapa miliar tahun ke depan, mereka tidak akan ada lagi. Bahkan gugusan galaksi besar Bima Sakti terdekat, gugusan Virgo, hanya dalam 50 juta tahun cahaya, tidak akan pernah menarik kita ke dalamnya. Meskipun ada tarikan gravitasi yang lebih dari seribu kali lebih kuat dari milik kita, ekspansi Semesta akan membuat semua ini terpisah.

Koleksi besar ribuan galaksi membentuk lingkungan terdekat kami dalam 100.000.000 tahun cahaya. Gugus Virgo itu sendiri akan tetap terikat bersama, tetapi Bima Sakti akan terus berkembang menjauh darinya seiring berjalannya waktu. (PENGGUNA UMUM WIKIMEDIA ANDREW Z. COLVIN)

Tetapi ada juga skala yang lebih kecil di mana ekspansi telah diatasi, setidaknya secara lokal. Jauh lebih mudah untuk mengalahkan ekspansi Semesta melalui skala jarak yang lebih kecil, karena gaya gravitasi memiliki lebih banyak waktu untuk menumbuhkan daerah overdense pada skala yang lebih kecil daripada yang lebih besar.

Di dekatnya, kluster Virgo itu sendiri akan tetap terikat secara gravitasi. Bima Sakti dan semua galaksi kelompok lokal akan tetap terikat bersama, akhirnya bergabung bersama di bawah gravitasi mereka sendiri. Bumi akan berputar mengelilingi Matahari pada jarak orbit yang sama, Bumi itu sendiri akan tetap berukuran sama, dan atom-atom yang menyusun segala sesuatu di atasnya tidak akan mengembang.

Mengapa? Karena perluasan Alam Semesta hanya memiliki efek di mana kekuatan lain - apakah gravitasi, elektromagnetik atau nuklir - belum mengatasinya. Jika suatu kekuatan dapat berhasil menyatukan suatu objek, bahkan Universe yang mengembang tidak akan memengaruhi perubahan.

Sistem TRAPPIST-1 dibandingkan dengan planet-planet tata surya dan bulan-bulan Jupiter. Orbit semua yang ditampilkan di sini tidak berubah dengan ekspansi Alam Semesta, karena kekuatan pengikat gravitasi yang mengatasi segala efek ekspansi itu. (NASA / JPL-CALTECH)

Alasan untuk ini tidak kentara, dan terkait dengan fakta bahwa ekspansi itu sendiri bukanlah suatu kekuatan, melainkan tingkat. Ruang benar-benar masih berkembang di semua skala, tetapi ekspansi hanya memengaruhi berbagai hal secara kumulatif. Ada kecepatan tertentu yang akan diperluas ruang di antara dua titik, tetapi Anda harus membandingkan kecepatan itu dengan kecepatan melarikan diri antara dua objek, yang merupakan ukuran seberapa ketat atau longgar mereka terikat bersama.

Jika ada kekuatan yang mengikat benda-benda itu bersama-sama yang lebih besar dari kecepatan ekspansi latar belakang, tidak akan ada peningkatan jarak di antara mereka. Jika tidak ada peningkatan jarak, tidak ada ekspansi yang efektif. Setiap saat, ini lebih dari dinetralkan, sehingga tidak pernah mendapatkan efek tambahan yang muncul di antara objek yang tidak terikat. Akibatnya, objek yang terikat dan stabil dapat bertahan tanpa berubah untuk selamanya di alam semesta yang mengembang.

Apakah terikat oleh gravitasi, elektromagnetisme, atau gaya lain apa pun, ukuran benda-benda yang stabil dan disatukan tidak akan berubah bahkan saat Alam Semesta mengembang. Jika Anda dapat mengatasi ekspansi kosmik, Anda akan tetap terikat selamanya. (NASA, BUMI DAN MARS KE SKALA)

Selama Semesta memiliki sifat-sifat yang kita ukur untuk dimiliki, ini akan tetap menjadi kasus selamanya. Energi gelap mungkin ada dan menyebabkan galaksi jauh berakselerasi menjauh dari kita, tetapi efek ekspansi melintasi jarak tetap tidak akan pernah meningkat. Hanya dalam kasus "Big Rip" kosmik - yang ditunjukkan oleh bukti, bukan ke arah - akan kesimpulan ini berubah.

Tatanan ruang itu sendiri mungkin masih meluas di mana-mana, tetapi tidak memiliki efek yang terukur pada setiap objek. Jika suatu kekuatan mengikat Anda bersama dengan cukup kuat, Semesta yang mengembang tidak akan berpengaruh pada Anda. Ini hanya pada skala terbesar dari semua, di mana semua kekuatan mengikat antara objek terlalu lemah untuk mengalahkan kecepatan Hubble yang cepat, bahwa ekspansi terjadi sama sekali. Seperti yang pernah dikatakan oleh fisikawan Richard Price, "Pinggang Anda mungkin menyebar, tetapi Anda tidak bisa menyalahkannya pada perluasan alam semesta."

Mulai Dengan Bang sekarang di Forbes, dan diterbitkan ulang di Medium berkat para pendukung Patreon kami. Ethan telah menulis dua buku, Beyond The Galaxy, dan Treknology: The Science of Star Trek dari Tricorders ke Warp Drive.