Pytanie
Jak to możliwe, że światło gwiazd oddalonych o miliardy lat świetlnych od Ziemi mogło do nas dotrzeć, skoro Ziemia ma zaledwie tysiące lat?
Odpowiedź
Rok świetlny to maksymalna odległość, jaką światło może przebyć w ciągu jednego roku w próżni kosmicznej. W związku z tym światło potrzebuje miliardów lat, aby przebyć miliardy lat świetlnych w przestrzeni kosmicznej. Z naszego punktu widzenia, tu na Ziemi, możemy zobaczyć światło gwiazd odległych o miliardy lat świetlnych. Dlatego rozsądnie jest założyć, że nasz wszechświat ma co najmniej miliardy lat - wystarczająco dużo, aby światło z tych gwiazd miało wystarczająco dużo czasu na dotarcie do naszej planety oddalonej o miliardy lat świetlnych.
To rozsądne założenie jest sprzeczne z perspektywą Młodej Ziemi (MZ), która twierdzi, że wszechświat ma mniej niż 10 000 lat. Gdyby nie było silnych naukowych argumentów przemawiających za perspektywą MZ, ta sprzeczność nie zasługiwałaby na zastanowienie. Rosnąca liczba dowodów wspierających perspektywę MZ jest jednak na tyle wystarczająca, że uzasadnia rozważne zbadanie, czy ta pozorna sprzeczność może być rozsądnie rozwikłana. I tak zadajemy pytanie: Jak światło gwiazd odległych o miliardy lat świetlnych może dotrzeć do Ziemi w ciągu zaledwie kilku tysięcy lat?
Grawitacyjna dylatacja czasu
Według Alberta Einsteina przestrzeń nie jest pustą "nicością", za jaką większość z nas ją uważa. Jest ona wypełniona tym, co Einstein nazwał eterem. Eter jest rozumiany jako elastyczne, pozbawione masy medium, które przenika wszystko. Wszystko, co istnieje w granicach naszego wszechświata, robi to w tym właśnie pozbawionym masy medium.
Eter jest elastyczny, co oznacza, że może być rozciągnięty i zniekształcony. Aby to sobie zobrazować, wyobraź sobie mocno naciągniętą tkaninę. To jest właśnie eter. Teraz wyobraź sobie, że upuszczasz ciężką piłkę (jak kula do kręgli) na tkaninę, dokładnie pośrodku. Spowodowałoby to, że tkanina ugięłaby się w środku. Ciężka piłka reprezentuje gęstą materię, taką jak nasza planeta. Einstein uważał, że materia powoduje zagięcie przestrzeni, podobnie jak ciężka piłka powoduje zagięcie rozciągniętego materiału. Te gięcia występujące w przestrzeni są znane jako studnie grawitacyjne.
Gdybyśmy teraz umieścili mniejsze, lżejsze kulki (jak kuleczki ze szkła) na tkaninie razem z ciężką kulką, to potoczyłyby się one w kierunku środka, w stronę zagłębienia spowodowanego przez ciężką kulkę. Co więcej, przyczyniłyby się one do wzrostu ugięcia tkaniny, nawet jeśli tylko w niewielkim stopniu. Ten ruch w kierunku środka reprezentuje grawitację. Zgodnie z poglądem Einsteina na temat grawitacji, jeśli mniejsze, lżejsze formy materii są wystarczająco blisko, mogą zostać wciągnięte do studni grawitacyjnych większych, gęstszych form materii. Chociaż każda z nich tworzy swoje własne zagięcie w przestrzeni, niektóre studnie grawitacyjne są głębsze i bardziej oddziałują niż inne (to znaczy, generują silniejszą siłę grawitacji). Jedna rzecz jest wspólna: zaburzają one czas.
W latach 60. XX wieku fizycy Robert Pound i Glen Rebka potwierdzili eksperymentalnie teoretyczną konsekwencję teorii względności Einsteina, zwaną efektem grawitacyjnej dylatacji czasu (ang. skrót GTDE). Pound i Rebka byli w stanie wykazać, że czas płynie tym wolniej dla obiektów, im dalej znajdują się one od studni grawitacyjnej. Na przykład satelity Globalnego Systemu Pozycjonowania (GPS) znajdują się dalej od Ziemi niż obiekty na jej powierzchni i dlatego są mniej zanurzone w studni grawitacyjnej wywołanej masą Ziemi. W rezultacie czas płynie nieco szybciej dla naszych satelitów GPS niż dla nas tutaj na powierzchni, ponieważ jesteśmy głębiej w studni grawitacyjnej Ziemi. Zegary atomowe na pokładzie satelitów i tutaj na Ziemi zostały użyte do wykrycia i zmierzenia różnicy w szybkości upływu czasu.
Podobnie, zegar atomowy w Greenwich w Anglii (na poziomie morza), rejestruje wolniejszy upływ czasu niż zegar atomowy w Boulder w Kolorado (na wysokości 1655 m. n.p.m.). Przy tych stosunkowo małych różnicach wysokości, mierzalny efekt jest niewielki. Efekt w całym większym kosmosie może być znacznie bardziej dramatyczny. Im głębsza studnia grawitacyjna, tym silniejszy efekt grawitacyjnej dylatacji czasu. W rzeczywistości, zgodnie z Ogólną Teorią Względności, czas stoi w miejscu na granicy czarnej dziury - jest to obszar znany naukowcom jako "horyzont zdarzeń", gdzie grawitacja jest tak intensywna, że nawet światło nie może uciec (stąd nazwa "czarna dziura").
Odłóżmy teraz na chwilę na bok efekt grawitacyjnej dylatacji czasu (GTDE) i rozważmy inne ważne zjawisko astronomiczne: przesunięcia gwiazd. Przesunięcia ku czerwieni to zjawisko związane z efektem Dopplera, dzięki któremu długości fal promieniowania (np. światła gwiazd) wydłużają się w miarę oddalania się od obserwatora. Astronomowie są zgodni co do tego, że obserwowane przesunięcia gwiazd wskazują na rozszerzanie się Wszechświata (Prawo Hubble'a). Ekstrapolując tę ekspansję wstecz, staje się jasne, że pierwotny wszechświat był nieco gęstszy, bardziej zwarty niż obecnie.
W zamkniętym wszechświecie, w którym materia ma centrum i krawędź, opisane powyżej zagęszczenie materii przyczyniłoby się do pogłębienia studni grawitacyjnej spowodowanej łączną masą wszechświata. To zintensyfikowałoby GTDE, powodując, że czas płynąłby znacznie wolniej w pobliżu centrum wszechświata (głębiej w studni) niż w pobliżu jego krawędzi (bliżej powierzchni studni).
Implikacja jest paradoksalna: nawet jeśli wszechświat został stworzony cały na początku (i dlatego powinien mieć ten sam wiek), niektóre jego części mogą być znacznie młodsze od innych z powodu relatywistycznej natury czasu. Światło może przebyć miliardy lat świetlnych w ciągu miliardów lat w niektórych częściach wszechświata podczas gdy my na Ziemi postrzegamy to jako znacznie krótszy okres czasu. W miarę rozszerzania się wszechświata i rozprzestrzeniania się materii w przestrzeni, uniwersalna studnia grawitacyjna stopniowo będzie się wyrównywać, zmniejszając tempo różnic czasowych w całym wszechświecie.
Wielu astrofizyków i astronomów odrzuca ideę zamkniętego wszechświata z naszą galaktyką, Drogą Mleczną, blisko lub w jej centrum. Jest to jednak założenie filozoficzne, a nie naukowy wniosek oparty na danych empirycznych. Jak szczerze wyjaśnił światowej sławy astrofizyk dr George F. R. Ellis, "ludzie muszą być świadomi, że istnieje szereg modeli, które mogą wyjaśnić obserwacje. Na przykład, mogę skonstruować sferycznie symetryczny wszechświat z Ziemią w jego centrum i nie możesz go obalić na podstawie obserwacji... możesz go jedynie wykluczyć na gruncie filozoficznym. Moim zdaniem nie ma w tym absolutnie nic złego. To, co chcę wyeksponować, to fakt, że używamy filozoficznych kryteriów przy wyborze naszych modeli. Wiele kosmologii stara się to ukryć." (W. Wayt Gibbs, "Profile: George F. R. Ellis", Scientific American, październik 1995, Vol. 273, No.4, str. 55)
Podsumowując, Grawitacyjny Efekt Dylatacji Czasu jest teoretycznym rozwiązaniem problemu Młodej Ziemi i odległych gwiazd, który w zadziwiający sposób godzi dowody na istnienie młodej Ziemi z dowodami na istnienie starego wszechświata. Wielu astrofizyków i astronomów odrzuca jedno z głównych założeń, na których opiera się wyjaśnienie GTDE (zamknięty wszechświat z Drogą Mleczną w centrum lub w jego pobliżu), nie z powodu obserwowalnych danych, ale z powodu ich filozoficznych perspektyw.
English
Jak to możliwe, że światło gwiazd oddalonych o miliardy lat świetlnych od Ziemi mogło do nas dotrzeć, skoro Ziemia ma zaledwie tysiące lat?
