Почему открытая вселенная вечно расширяется даже без темной энергии?

Предположим, вы увидели мяч в воздухе. Мячи не просто парят в воздухе, поэтому, если вы видите мяч в воздухе, вы знаете, что кто-то, должно быть, бросил его. Вы можете делать такие вещи, как измерение скорости мяча, и это скажет вам, движется ли брошенный мяч вверх или вниз. Или, если бы скорость мяча была восходящей и очень высокой, вы могли бы сказать, собирается ли мяч покинуть гравитацию Земли, чтобы никогда не вернуться.

Это ситуация, в которой мы оказываемся, когда наблюдаем за Вселенной. Мы видим большое количество звезд, галактик и т. д., но они не могут просто висеть там, потому что это нестабильная конфигурация — они должны двигаться. И когда мы измеряем скорости галактик, мы обнаруживаем, что все они удаляются от нас, поэтому Вселенная подобна летящему вверх мячу.

Зная текущие положения и скорости всех галактик, мы можем экстраполировать назад во времени, и когда мы это делаем, мы обнаруживаем, что по мере того, как мы работаем назад во времени, скорости становятся все выше и выше, пока 13,7 миллиарда лет назад они не станут бесконечными. Это, конечно, момент Большого Взрыва.

Аналогия с брошенным мячом на самом деле довольно близка. В момент Большого Взрыва все галактики стартовали с очень высокими скоростями, так же как брошенный мяч стартовал с высокой скоростью, и в течение первых нескольких миллиардов лет взаимное притяжение всех этих галактик замедляло их, точно так же, как мяч замедляется, когда он движется вверх. Если бы темной энергии не существовало, скорости галактик продолжали бы уменьшаться. Мы думаем, что Вселенная плоская, что аналогично мячу, имеющему точную скорость убегания, поэтому скорости галактик асимптотически стремятся к нулю при бесконечном времени.

Но ...

Проблема в том, что мы знаем, почему мяч стартовал с высокой скоростью, потому что кто-то его бросил. Но мы не знаем, почему все галактики начинались с высоких скоростей, потому что наши теории не возвращаются во времени достаточно далеко, чтобы описать Большой взрыв. Мы надеемся, что какая-то будущая теория квантовой гравитации объяснит, почему Вселенная возникла такой, какой она была 13,7 миллиарда лет назад.

Подобное явление уже существует, если мы рассмотрим только Землю и какую-нибудь ракету, обе единственные во Вселенной: мы запускаем ракету с поверхности Земли, запуская ее двигатель, как обычно, лишь на короткое время, чтобы придать ей некоторую начальную скорость. , а затем полностью оставляем это на земное тяготение. Существует такой порог скорости, что если эта начальная скорость выше этой, то ракета никогда не упадет на Землю: она будет двигаться все дальше и дальше. Конечно, она будет двигаться все медленнее и медленнее из-за гравитационного притяжения Земли, но этого будет недостаточно, чтобы остановить ракету и заставить ее упасть. Надеюсь, что эта пороговая скорость называется скоростью убегания по очевидной причине.

Ситуация качественно аналогична Вселенной без темной энергии: Большой взрыв придал самому пространству-времени начальную «скорость», достаточную для того, чтобы гравитация не смогла остановить расширение. Расширение будет идти все медленнее, как ракета, но никогда не остановится. Для Вселенной порог не определяется начальной скоростью, как я сделал для ракеты. Вместо этого он дается в терминах порога массы Вселенной. Вы можете понять это с помощью моей ракеты, представив, что мы изменяем массу Земли, что, в свою очередь, изменяет гравитационное притяжение ракеты. Существует порог массы Земли, выше которого гравитационное притяжение будет достаточно сильным, чтобы остановить ракету за конечное время и заставить ее упасть обратно на Землю. Аналогичная идея для всей вселенной, только качественно конечно,