Если Вселенная расширяется, то почему не расширяются все объекты в ней?

Короткий ответ на этот вопрос такой: потому что гравитация и другие фундаментальные силы (электромагнитная и ядерные) гораздо сильнее «силы» расширения на малых расстояниях, или, что будет более корректно, локально связанные системы просто не участвуют в космологическом расширении.

Вот подробное объяснение с аналогией.

Аналогия с резиновым листом и муравьями

Представьте, что Вселенная — это огромный резиновый лист, который равномерно растягивается во все стороны.

1. Галактики это монетки, приклеенные суперклеем. На этом листе лежат монетки (галактики). Когда лист растягивается, расстояние между разными монетками увеличивается, но сами монетки остаются прежнего размера, потому что они жесткие и склеены.
2. Предметы это муравьи. На одной монетке ползают муравьи (атомы внутри предмета). Муравьи очень сильны для своего размера и крепко держат друг друга за лапки. Даже если лист под ними чуть-чуть растягивается, их сцепление (химические связи) сильнее, и они не разбегаются.

Что именно расширяется?

Расширяется само пространство между скоплениями галактик, где гравитация очень слабая. Это работает только в огромных космических масштабах (сотни миллионов световых лет). При этом не только между скоплениями галактик есть расширение. Даже между галактиками оно есть, но если они гравитационно связаны (как в Местной группе), они не разлетаются. Например, Млечный Путь и Галактика Андромеды вообще движутся навстречу друг другу.

Почему предметы не расширяются: четыре силы против одной

Внутри предметов (камень, человек, атом) действуют четыре фундаментальные силы природы. Все они намного мощнее, чем расширение пространства.

1. Электромагнитная сила. Она удерживает электроны вокруг ядра и связывает атомы в молекулы. Эта сила в 10³⁶ (миллиард миллиардов миллиардов миллиардов) раз сильнее «силы», которая отвечает за расширение. Даже слабой электромагнитной связи между атомами достаточно, чтобы мгновенно компенсировать ничтожное растяжение пространства.
2. Сильное и слабое ядерные взаимодействия. Они удерживают протоны и нейтроны внутри ядра. Они еще мощнее.
3. Гравитация (но на малых масштабах). Даже обычная гравитация от массы Земли и Солнца намного сильнее «расширительной силы», связанной с темной энергией. Гравитация связывает галактики в скопления, Солнечную систему — в целое, а нас с Землей.

Ключевой момент: расширение Вселенной проявляет себя только там, где вещество распределено достаточно равномерно и его собственная гравитация слишком слаба, чтобы что-то удерживать вместе. Как только мы попадаем в область с повышенной плотностью (галактика, звезда, планета, человек, атом), собственная гравитация или электромагнетизм практически полностью «побеждают» расширение.

Что было бы, если бы предметы расширялись?

Если бы каждая связь в атомах, молекулах и кристаллических решетках расширялась вместе с пространством, то мы бы ничего не заметили. Все линейки, наши тела и эталоны метров тоже бы расширялись, и соотношение размеров оставалось бы тем же.

Но физики знают, что это не так. Силы, удерживающие атомы вместе (электромагнитные), имеют фиксированную шкалу, заданную постоянной Планка и массой электрона. Эта шкала не меняется с расширением Вселенной. Поэтому атомы остаются одного размера уже 13,8 миллиарда лет.

Расширение работает там, где слабая гравитация?

Можно ответить так: расширение проявляет себя там, где гравитация (или любая другая сила) недостаточно сильна, чтобы удержать вещество вместе. Еще более правильно будет сказать:
расширение проявляется там, где нет гравитационно (или иначе) связанных систем.

Давайте разберем эту важную мысль, потому что в ней ключ к пониманию.

Гравитация — это «клей», который борется с расширением

Вся история Вселенной — это борьба двух фундаментальных явлений:

1. Расширение (темная энергия) — пытается раздвинуть все и вся.
2. Гравитация пытается все стянуть обратно.

Исход этой борьбы зависит от того, насколько плотно вещество упаковано в конкретном месте.

Вот три главных «арены» этой вселенской борьбы:

Разберем на примерах

1. Внутри скопления галактик (например, Местная группа). Наша Местная группа (Млечный Путь, Андромеда и ~50 небольших галактик) не расширяется. Почему? Их общая гравитация достаточно сильна, чтобы победить расширение пространства. Более того, Андромеда и Млечный Путь вообще сближаются и столкнутся через 4.5 миллиарда лет, потому что их взаимное притяжение сильнее, чем «разбегание» от расширения.
2. Внутри Солнечной системы. Расширение пространства пытается отодвинуть Землю от Солнца, но гравитация Солнца тут же возвращает Землю на место. Мы просто не замечаем этого.
3. На границе скоплений. А вот между нашим Местным скоплением и далеким скоплением Девы (сотни миллионов световых лет) гравитация настолько слаба, что расширение побеждает, и они удаляются друг от друга с огромной скоростью.

Важное уточнение: «Расширение» — это инерция, а не взрыв

Многие ошибочно думают, что расширение это какая-то сила, которая «дует» на предметы. Это не так.

Расширение это свойство самого пространства. Когда мы говорим «там, где слабая гравитация», мы имеем в виду: если взять два объекта в пустоте, где их взаимное притяжение ничтожно, то единственное, что будет определять их движение, это то, с какой скоростью они разлетаются после Большого взрыва (плюс темная энергия).

Может создаться впечатление, что галактики «разлетаются в пустоте», но следует понимать, что на самом деле расширяется само пространство между ними.

В итоге: расширение Вселенной проявляется на больших масштабах, где вещество не образует связанных структур. Внутри гравитационно или электромагнитно связанных систем (галактики, звезды, планеты, атомы) динамика определяется локальными силами, и такие системы не участвуют в космологическом расширении.

Есть ли расширение на уровне Солнечной системы?

С точки зрения теории и математики — да, расширение присутствует везде, даже внутри атома. Но с точки зрения физического эффекта нет, внутри Солнечной системы и нашей Галактики оно полностью подавлено и не приводит к какому-либо увеличению размеров.

Давайте разберем, почему так.

1. Расширение есть, но оно ничтожно мало

Представьте, что вы пытаетесь растянуть стальную пружину, привязав к ее концам двух комаров. Комары будут тянуть, но пружина не сдвинется с места. Так и здесь: расширение пространства это «комары», а гравитация (и электромагнетизм) это «стальная пружина» атомных и планетарных связей.

Если взять орбиту Земли (расстояние в 150 млн км до Солнца), то из-за расширения Вселенной это расстояние должно было бы увеличиваться примерно на 1.5 сантиметра в год. Это в 500 раз медленнее, чем растут ногти у человека!

Однако:

• Гравитация Солнца мгновенно корректирует орбиту Земли, не позволяя ей «уползти». Это похоже на то, как поводок возвращает собаку, которая пытается отойти чуть дальше.
• Никакой прибор не может зафиксировать такое ничтожное изменение на фоне других эффектов (гравитационных возмущений от Юпитера, приливных сил и т.д.).

2. А теперь важный нюанс, который вас удивит

Классическая модель расширения (закон Хаббла) говорит, что скорость разбегания двух точек пропорциональна расстоянию между ними. Для расстояния в 1 метр скорость расширения составит… 0.00000000007 метров в секунду (7×10⁻¹¹ м/с). Это фантастически мало.

Но есть и вторая, более хитрая сторона вопроса: темная энергия.

Согласно современным представлениям, темная энергия создает не просто инерцию от Большого взрыва, а отрицательное давление, которое ускоряет расширение. У этой силы есть своя крошечная плотность.

И вот что выяснили физики: внутри Солнечной системы влияние темной энергии на движение планет настолько мало, что оно на порядки слабее любых других эффектов, даже таких слабых, как давление солнечного света на мелкие частицы. Поэтому его невозможно обнаружить ни одним существующим или мыслимым методом измерений.

Присоединяйтесь к нам в соцсетях