Lítill hópur manna og kvenna undirbýr sig fyrir öfgafyllstu tilraun sögunnar. Þau vita ekki hvert hún muni leiða þau né heldur hvað þau muni upplifa á leiðinni, því áfangastaður ferðarinnar er nokkuð sem enginn þekkir: Endimörk alheims.
Íklædd geimbúningum sínum fara þau inn í geimskipið sem mun senda þau í beinni línu burt frá jörðu á hraða ljóssins.
Geimfararnir, geimskipið og ferðalagið er vitanlega bara hugarburður. Þetta er samt hugartilraun sem bandaríski stjarnfræðiprófessorinn David Kipping og kollegar hans hafa hannað til að reyna að skilja hversu örðugt það er að fá alheim til að gefa upp sína allra dýpstu leyndardóma.
Þetta ímyndaða ferðalag leiðir geimfara okkar í gegnum stórfurðulegar upplifanir sem eru samt rökréttar afleiðingar af þeim náttúrulögmálum sem við þekkjum til sem og kenninga vísindamanna um form alheims og stærð.
Ferðalag þetta leiðir okkur alveg út að jaðri þekkingar heimsfræðinnar um alheim og endar kannski nákvæmlega þar sem við áttum allra síst von á að yrði raunin.
Ferðalagið afhjúpar vanþekkingu okkar
Manneskjan hefur frá örófi alda starað hugfangin upp í himinhvolfið og furðað sig á því hvar alheimur endar. En samt þurfum við að fara fram til upphafs 20. aldar þegar stjarnfræðingar gerðu grein fyrir því að stjörnuþoka okkar, Vetrarbrautin, innihéldi ekki allan alheim – reyndar er hún bara ein af óteljandi mörgum stjörnuþokum.
Undir lok aldarinnar kom auk þess í ljós að alheimur er ekki kyrrstæður, né hefur hann ævinlega verið til, heldur á hann sér upphaf og þróunarsögu.
Samkvæmt kenningunni um Miklahvell fæddist alheimur fyrir 13,8 milljörðum ára. Síðan hefur hann þanist út – fyrst á jöfnum og þéttum hraða en síðan með stöðugri hröðun.
Þessi staðreynd ruddi brautina fyrir kenninguna um Miklahvell sem kveður á um að alheimur hafi orðið til fyrir um 13,8 milljörðum ára og á æviskeiði sínu hefur hann þanist út á mismunandi miklum hraða. Síðustu sjö milljarða áranna hefur hröðunin aukist stöðugt þannig að útþensla hans verður sífellt hraðari.
Miklahvellskenningin hefur verið staðfest með fjölmörgum athugunum og rannsóknum en skilur þó eftir veigamiklar spurningar sem koma greinilega í ljós ef við fylgjum eftir hugmyndinni um að ferðast til endimarka alheims á ljóshraða.
Við hefjum ferðalagið með því að láta geimfara okkar ná stöðugri hröðun sem nemur10 m/s2. Það er einmitt við þessa hröðun sem geimfararnir munu finna fyrir krafti sem er ákaflega svipaður og þyngdarkrafturinn hér á jörðu.
Þrátt fyrir að það virðist ekki vera neitt ofsafengið mun þessi sífellda hröðun koma geimfari okkar á óskiljanlega mikinn hraða. Ferðalangar okkar í geimfarinu munu þeytast í gegnum gjörvallt sólkerfið á minna en þrem vikum.
Stöðug hröðun þjappar tímanum saman
Geimskipið hefur stöðuga hröðun sem nemur 10 m/s2 og kemst eldskjótt út úr sólkerfinu. Á leiðinni í gegnum Vetrarbrautina og áfram til nágrannastjörnuþoku okkar Andrómedu verður hraði geimskipsins orðinn svo mikill að tímaupplifunin breytist hjá geimförunum.
1. Hraðinn eykst í veldisfalli
Á fyrstu sekúndunni nær geimfarið hraða sem nemur 10 metrum á sekúndu (m/s). Á næstu sekúndu eykst hraðinn í 20 o.s.frv. Eftir eina klukkustund er hraðinn meira en 35.000 m/s – eða 126.000 km/klst. – og við förum fram hjá tunglinu eftir aðeins 2,5 tíma.
2. Pláneturnar kvaddar á 11 dögum
Þegar geimskipið hefur ferðast í 1,5 dag flýgur það fram hjá nágrannaplánetu okkar Mars og viku eftir geimskot nær það fram til Satúrnusar. Geimfarið skilur síðan Neptúnus að baki eftir aðeins ellefu daga.
3. Sólkerfið kvatt eftir þrjár vikur
Geimfarið yfirgefur sólkerfið og á hraða sem nemur 64 milljónum kílómetra, um 6% af ljóshraða fer það fram úr fjarlægasta smíðisgrip manna, Voyager geimkannanum. Honum var skotið á loft 1977 og er nú í meira en 20 milljarða km fjarlægð.
4. Geimfarar fá sinn eigin tíma
Á leiðinni, í átt að Andrómedu, nálgast geimfarið ljóshraða þannig að tíminn gengur mun hægar um borð. Utan frá séð tekur ferðin frá stjörnuþoku til stjörnuþoku meira en 2,3 milljónir ára en frá sjónarhorni geimfaranna líða einungis fjórir dagar.
Stöðug hröðun þjappar tímanum saman
Geimskipið hefur stöðuga hröðun sem nemur 10 m/s2 og kemst eldskjótt út úr sólkerfinu. Á leiðinni í gegnum Vetrarbrautina og áfram til nágrannastjörnuþoku okkar Andrómedu verður hraði geimskipsins orðinn svo mikill að tímaupplifunin breytist hjá geimförunum.
1. Hraðinn eykst í veldisfalli
Á fyrstu sekúndunni nær geimfarið hraða sem nemur 10 metrum á sekúndu (m/s). Á næstu sekúndu eykst hraðinn í 20 o.s.frv. Eftir eina klukkustund er hraðinn meira en 35.000 m/s – eða 126.000 km/klst. – og við förum fram hjá tunglinu eftir aðeins 2,5 tíma.
2. Pláneturnar kvaddar á 11 dögum
Þegar geimskipið hefur ferðast í 1,5 dag flýgur það fram hjá nágrannaplánetu okkar Mars og viku eftir geimskot nær það fram til Satúrnusar. Geimfarið skilur síðan Neptúnus að baki eftir aðeins ellefu daga.
3. Sólkerfið kvatt eftir þrjár vikur
Geimfarið yfirgefur sólkerfið og á hraða sem nemur 64 milljónum kílómetra, um 6% af ljóshraða fer það fram úr fjarlægasta smíðisgrip manna, Voyager geimkannanum. Honum var skotið á loft 1977 og er nú í meira en 20 milljarða km fjarlægð.
4. Geimfarar fá sinn eigin tíma
Á leiðinni, í átt að Andrómedu, nálgast geimfarið ljóshraða þannig að tíminn gengur mun hægar um borð. Utan frá séð tekur ferðin frá stjörnuþoku til stjörnuþoku meira en 2,3 milljónir ára en frá sjónarhorni geimfaranna líða einungis fjórir dagar.
Þegar geimfarið hefur ferðast í 15 mánuði geta geimfarar okkar fagnað því að hafa lagt að baki fyrsta ljósárið, þ.e.a.s. þá fjarlægð sem ljósið fer á einu ári.
Geimfararnir eru nú komnir fjórðung leiðarinnar til næstu nágrannastjörnu okkar, Alpha Centauri og geimfarið sjálft hefur náð 87% af hraða ljóssins. En þá fer sitthvað undarlegt að gerast.
Skýringuna má finna í takmörkuðu afstæðiskenningu Einsteins sem segir að tíminn breytist fyrir fyrirbæri á ferð. Tíminn gengur hægar en umhverfið á mikilli ferð. Þegar hraðinn hefur náð 87% af hraða ljóssins líður tíminn inni í geimfarinu helmingi hægar en fyrir utan það. Þegar ein klukkustund er liðin hjá geimförunum hafa tvær klukkustundir liðið á jörðinni.
Áhrif þessi verða mun öfgakenndari því nær sem hraði geimfarsins nálgast hraða ljóssins. Tæknilega séð er það vitanlega ómögulegt fyrir okkur að ná slíkum hraða og í raun kemur það líka fram í kenningunni að ekki sé hægt að jafna ljóshraða.
Ljóshraði eru efstu mörk þess hversu hratt nokkurt fyrirbæri í alheimi getur farið.
En leyfum okkur að gera ráð fyrir að geimfarið geti náð allt að hraða sem nemur 0,9999999998 prósent af hraða ljóssins. Þá mun tímahliðrunin vera svo ofsafengin að eitt ár í geimfarinu samsvarar 250 milljónum ára á jörðu.
Þrátt fyrir að flestir þekki til afstæðiskenningar Einsteins verða ansi margir þegjandalegir þegar kemur að því að útskýra hana. Hér útskýrum við kenninguna á einfaldan hátt.
Þessu munu geimfararnir okkar sem eru núna í engum tengslum við jörðu, ekki finna fyrir. Þeir lifa í sínum eigin tíma og halda ótrauðir ferðinni áfram fram hjá Alpha Centauri og milljónum annarra stjarna út úr Vetrarbrautinni í átt til framandi stjörnuþoka.
Rúmið tekur fram úr geimfarinu
Geimfararnir verða ekki varir við neitt misjafnt þegar þeir horfa út um gluggann er geimfarið hefur náð 8,3 milljarða ljósára fjarlægð en þessi ósýnilegi staður í rúminu markar afgerandi þáttaskil.
Eftir það er nefnilega engin leið til baka. Einu má gilda um hversu mikil heimþrá þjakar áhöfnina, þá er einfaldlega ekki lengur mögulegt að snúa við og fljúga sömu leið til baka til jarðar.
Orsökin er það sem enskir nefna „point of no return“ sem varðar þenslu alheims. Sjálft rúmið stækkar og þegar fjarlægðin hefur numið 8,3 milljörðum ljósára þýðir það að tvö fyrirbæri, eins og jörðin og geimfarið, færast fjær hvort öðru með hraða sem tekur fram úr hraða ljóssins.
Þannig að jafnvel þó geimfarið gæti flogið til baka aftur til jarðar á ljóshraða mun það aldrei ná heim.
Þegar geimfarið er í 8,3 milljarða ljósára fjarlægð frá jörðu er engin leið til baka af því að rúmið milli geimfarsins og jarðar þenst hraðar en sem nemur ljóshraða.
Hvað það er sem knýr þessa útþenslu rúmsins er enn óleyst ráðgáta stjarneðlisfræðinga en þeir nefna til sögunnar óþekktan kraft sem kallast „hulduorka“ sem virkar gagnstætt þyngdarkraftinum.
Þéttni hulduorku í rúminu er stöðug, þannig að það verður alltaf til sífellt meira af henni eftir því sem alheimur þenst út og því verður útvíkkunin sífellt hraðari. Á sama tíma verður einnig að sjálfsögðu lengra og lengra milli efniseinda.
Stjörnuþokur slokkna ein af annarri
Fyrir geimfara okkar verða afleiðingarnar af þessari hulduorku greinilegar þegar þeir horfa út um gluggann á geimfarinu að framanverðu.
Rúmið fyrir framan ferðalangana þenst út rétt eins og það gerir fyrir aftan þá. Og því fara þær stjörnuþokur sem geimfararnir stefna að í burtu á hraða sem tekur fram bæði hraða ljóssins og geimfarsins. Ljósið frá stjörnuþokunum verður því sífellt veikara þar til það hverfur algjörlega sjónum geimfara okkar.
Ferðalangarnir munu þannig upplifa sama fyrirbæri sem á sér einnig stað hér á jörðu þegar fjarlægar stjörnuþokur munu með tímanum fara út fyrir sjóndeild okkar.
Alheimurinn er um 13,8 milljarða ára, en mér skilst að hann sé miklu víðari en 13,8 milljarðar ljósár. Er það rétt?
Geimfarið verður hins vegar fangað í eilífu myrkri þar sem sífellt minna og minna gerist.
Eftir ferðatíma sem nemur 200 árum – séð innan úr geimfarinu – hefur alheimur fyrir utan liðið í 1041 ár eða talan 1 með 41 núlli fyrir aftan. Á þessum tíma hefur útþensla alheims dreift öllu efni svo mikið að það er trúlega ekki hægt að koma auga á eina einustu efnisögn.
Áhöfnin upplifir m.ö.o. endalok alheims áður en hún kemst að nokkrum endimörkum alheimsins.
Ferðin að endimörkum alheims endar þannig harla ömurlega – í öllu falli í þessari sviðsmynd, þar sem við höfum leitast við að fylgja vinsælustu kenningum heimsfræðinga um form alheims.
Með því að rannsaka svokallaðan örbylgjuklið sem er upprunninn frá þeim tíma þegar alheimur var einungis 380.000 ára gamall hafa vísindamenn komist að því að alheimur er að öllum líkindum flatur. Það felur í sér að tvær samsíða línur muni aldrei krossast óháð því hversu mikið við bætum við lengd þeirra.
Kortlagning á kosmíska örbylgjukliðnum, meðal annars frá Plank-gervihnettinum, bendir til að alheimur sé flatur og mögulega einnig óendanlegur.
Flestir heimsfræðingar telja að flatur alheimur feli sjálfkrafa í sér að hann hljóti að vera óendanlegur í útbreiðslu og það gæti kannski veitt geimförum okkar dálitla von.
Allt gerist í óendanlegum alheimi
Ef alheimurinn er óendanlegur og við ímyndum okkur einnig að geimfararnir okkar eða afkomendur þeirra, hafi óendanlegan tíma til ráðstöfunar, er lítill möguleiki á því að þeir geti samt sem áður upplifað spennandi fyrirbæri í því niðadimma rúmi sem þeir eru staddir í.
Þrátt fyrir tómarúmið myndast nefnilega svokallað skammtaflökt sem bókstaflega myndar stöðugt nýjar eindir úr nákvæmlega engu. Og það felur í sér að það gæti verið afar lítill möguleiki á því að þessar eindir geti endrum og sinnum safnast saman og myndað stærri fyrirbæri, jafnvel nákvæmlega eftirlíkingu af jörðu.
Flygill getur orðið til úr engu
Í óendanlegum alheimi mun allt sem felst í möguleikum eðlisfræðinnar gerast á einhvern tímann. Það þýðir líka að agnir og stærri hlutir geta orðið til úr engu – hversu ólíklegt sem það er.
Til að útskýra fyrirbærið hafa eðlisfræðingarnir Anthony Aguirre, Sean M. Carroll og Matthew C. Johnson reiknað út hversu lengi við þurfum að bíða áður en flygill verður til upp úr engu. Niðurstaða þeirra er 1024 (1 með 24 núllum) sinnum núverandi aldur alheimsins, 13,8 milljarðar.
Það að sjá flygil sem myndast úr engu mun örugglega koma geimferðalöngum okkar á óvart. Og ef við reiknum með lengri tíma tímalínu munu enn flóknari hlutir skjóta upp úr myrkrinu – þar á meðal nákvæm afrit af jörðinni og sjálfum geimförunum – því: Í óendanlegum alheimi með óendanlegum tíma mun allt gerast óendanlega oft.
Þetta hljómar fjarstæðukennt og er það kannski líklega. Reyndar eru það einmitt þess háttar afleiðingar sem gera það að verkum að eðlisfræðingar eiga í dálitlum vandræðum með að meðhöndla óendanleikann.
Ef við sleppum hugmyndinni um flatan, óendanlegan alheim opnast aðrir möguleikar varðandi það hvernig könnunarferð geimfaranna gæti endað. Það krefst þess þó að við víkjum útþenslu alheims til hliðar og tökum útgangspunkt í að allt sé fast frosið hvað stærð varðar meðan á ferðalaginu stendur.
Ferðin endar alls staðar
Andstæðan við flatan alheim er svokallaður lokaður alheimur sem er endalaus en ekki óendanlegur. Ímyndaðu þér t.d. yfirborðið á kúlu. Það hefur engan jaðar en samt sem áður hefur hún takmarkað flatarmál. Ef alheimur inniheldur fleiri víddir en þær sem við erum fær um að sjá, mæla eða upplifa getur hann verið endalaus á sama hátt.
Við getum ímyndað okkur að þrívíða rúminu sem við þekkjum sé breytt yfir í tvívíðan flöt í nýju þrívíðu rúmi. Þannig höfum við bætt við fjórðu víddinni.
Geimfararnir komast örugglega heim ef alheimurinn er björgunarhringur.
Þetta opnar möguleika á tveimur rúmfræðilegum grunnformum sem alheimur getur haft: snúinn eða ekki snúinn. Samkvæmt fræðimönnum er líklegast að alheimur sé ekki snúinn og að fjórvíða rúmið geti þannig t.d. myndað yfirborð á tórusi, þ.e.a.s. haft form eins og kleinuhringur eða björgunarhringur.
Í slíkum heimi myndi geimfar sem er sent af stað í beinni línu út í geiminn snúa til baka til jarðar aftur einfaldlega vegna þess að bein lína í okkar þrívíða heimi er ekki lengur bein þegar fjórða víddin er tekin með í reikninginn.
Ferðalagið getur endað á nokkra vegu
Þessi skáldaða ferð að endimörkum alheims getur leitt til ólíkra áfangastaða. Hvernig ferðin endar ræðst af formi alheims, hvort hann hafi endanlega eða óendanlega útbreiðslu og hvort það fyrirfinnist leyndar víddir.
Óendanlegur alheimur: Ferðalagið endar í myrkri með furðum
Ef alheimur er flatur endar ferðalagið í ömurlegu myrkri en þar sem flatur alheimur er trúlega óendanlegur, munu jafnvel ótrúlegustu hlutir geta gerst á einum eða öðrum tíma, t.d. að sólkerfi á við okkar eigið spretti upp úr engu.
Snúinn alheimur: Raunveruleikinn verður speglaður
Ef alheimur inniheldur óþekkta vídd kann hann fræðilega séð að hafa snúninga sem leiða geimskipið aftur til jarðar en spegla það á leiðinni. Geimfararnir munu þó upplifa eins og það hafi verið jörðin sem var spegluð.
Lokaður alheimur: Geimskipið snýr til baka til framtíðar
Óþekkt aukavídd getur einnig orðið til í lokuðum alheimi með endanlega útbreiðslu, rétt eins og t.d. yfirborðið á björgunarhring. Sé sú raunin getur ferðalag geimfaranna endað nákvæmlega þar sem það byrjaði: á jörðinni en í fjarlægri framtíð.
Ferðalangarnir okkar sem eru náttúrulega tilbúningur, munu því enda könnunarferðalag sitt þar sem þeir hófu það. Og þegar þeir lenda í fjarlægri framtíð geta þeir komist að raun um að endimörk alheims er ekki að finna – eða jafnvel að segja má að endimörkin séu út um allt.
Hvort alheimur er flatur og óendanlegur eða lokaður í sjálfum sér í óþekktum víddum getur hugartilraun okkar ekki leitt í ljós. Kannski verðum við jafnvel að viðurkenna að við getum aldrei komist að svari við slíkri spurningu – einfaldlega vegna þess að eðlisfræðilögmálin leyfa okkur ekki að ferðast nógu langt til að finna svarið.
