Как выглядит вселенная. Структура вселенной

Как выглядит Вселенная?

С Земли человек может невооруженным глазом наблюдать лишь малую часть вселенной. Мы привыкли называть это небом со звёздами. Но это только ничтожная песчинка в необъятном космическом пространстве.

Рассматривать и изучать небо человечество начало сначала с помощью телескопов. Затем новые технологии позволили запустить ракеты в космос. И мы получили более яркое представление о космических просторах.

Вспомним, известный телескоп Хаббл, запущенный в 1990 году.Он отправил на Землю множество уникальных фотографий из космоса. Учёные постоянно совершенствуют и создают новые технологии. Бесспорно, наука не стоит на месте.

На сегодняшний день, известно около 500 миллиардов галактик, многочисленное количество звёзд и планет. Кроме того, создано большое количество возможных и реальных моделей вселенной.

Аристотель и Кант

Например, Аристотель, самый известный из греческих философов, полагал, что «происхождение Вселенной» — термин неправильный, так как существовала она всегда. Что-то вечное более совершенно, чем что-то создаваемое. Мотивация для веры в вечность Вселенной была проста: Аристотель не желал признавать существование какого-то божества, которое бы могло ее создать. Разумеется, его противники в полемических спорах как раз-таки приводили пример создания Вселенной как свидетельство существования высшего разума. Канту долгое время не давал покоя один вопрос: «Что было перед тем, как возникла Вселенная?» Он чувствовал, что все теории, которые существовали на то время, имели множество логических противоречий. Ученым была разработана так называемая антитеза, которую до сих пор используют некоторые модели Вселенной. Вот ее положения:

• Если Вселенная имела начало, то почему она выжидала вечность перед своим возникновением?
• Если Вселенная вечна, то почему в ней вообще существует время; для чего вообще нужно отмерять вечность?

Конечно, для своего времени он задавал более чем правильные вопросы. Вот только сегодня они несколько устарели, но некоторые ученые, к величайшему сожалению, продолжают руководствоваться именно ими в своих исследованиях. Конец метаниям Канта (точнее, его продолжателей) положила теория Эйнштейна, проливающая свет на строение Вселенной. Чем же она так поразила научное сообщество?

Современное представление о наблюдаемой Вселенной

Наблюдаемой называют часть Вселенной, которая представляет собой прошлое относительно наблюдателя. Иначе говоря, это пространство, где материя смогла бы достичь расположения настоящей Земли.

У наблюдаемой Вселенной существует граница. Это, так называемый, космологический горизонт. Все, что на нём расположено имеет бесконечное красное смещение.

Современные методики позволяют изучить часть такой Вселенной. Её назвали Метагалактикой. Теоретически за её пределами также находятся космические объекты.

Многие гипотезы построены на том, что наблюдаемая Вселенная является небольшой частью полной Вселенной. Сегодня наука занимается в основном изучение Метагалактики. Но учёные продолжают попытки выйти за её границы.

Почему Вселенная плоская, а не сферическая?

Значение Большого взрыва очень часто неправильно понимают. Считается, что что-то взорвалось где-то, а затем взорванная часть расширилась до того места, где мы сейчас находимся. Это не правильно. До Большого взрыва не было ни пространства, ни времени. Таким образом, нет ничего «вне» Большого взрыва. Вселенная просто расширилась от очень маленького объема до огромного объема, и это расширение происходит даже сегодня. Итак, место, где мы сейчас находимся, соответствует некоторому месту в очень маленьком объеме в самой ранней Вселенной. Следовательно, Большой Взрыв произошел ВЕЗДЕ во Вселенной. Это происходило во всех местах, включая то место, где мы сейчас находимся.

Почему Вселенная выглядит плоской? Это был один из сложных вопросов в космологии долгое время. Сегодня большинство астрономов верят в теорию инфляции (и есть доказательства, подтверждающие это). Согласно этой теории, Вселенная подверглась экспоненциальному расширению примерно через 10-30 секунд после Большого взрыва. В результате к концу инфляционной эпохи что-то размером с атом расширилось до размеров Солнечной системы.

Если бы это было так, независимо от исходной геометрии Вселенной, это казалось бы нам плоским. Аналогия будет взять воздушный шар; мы можем легко увидеть его округленным; Теперь взорвите шарик до очень большого объема, а затем положите на его поверхность маленького муравья. Муравей будет думать, что это на листе; он не может обнаружить кривизну. Иными словами, расстояния, которые мы исследуем, слишком малы, чтобы обнаружить любую возможную кривизну во Вселенной.

Если, как вы говорите, «расстояния, которые мы исследуем, слишком малы, чтобы обнаружить любую возможную кривизну во Вселенной» … как мы можем принять недавние «доказательства» плоской вселенной? Все попытки доказать плоскостность или нет вселенной ограничены данными, собранными из наблюдаемой вселенной? Если это так, и мы предполагаем, что наш взгляд эквивалентен взгляду близорукого муравья на земле, то, безусловно, невозможно найти такое доказательство, если, конечно, информация не может распространяться быстрее света.

Во-первых, вы должны различать «вселенную» и «наблюдаемую вселенную». Технически, «вселенная» представляет собой все, что существует, в то время как «наблюдаемая вселенная» представляет собой все, что существует внутри нашего горизонта (то есть объем вселенной, в которой свет успел добраться до нас). Каждое наблюдение, которое мы можем когда-либо сделать, ограничено наблюдаемой вселенной, и у нас нет никакого способа точно знать, что происходит за горизонтом. Но многие люди используют «вселенную» как сокращение от «наблюдаемой вселенной», что может создать некоторую путаницу. Поэтому, когда мы говорим «WMAP предоставляет убедительные доказательства того, что Вселенная плоская», мы действительно имеем в виду «WMAP предоставляет убедительные доказательства того, что наблюдаемая Вселенная плоская».

Однако, согласно теории инфляции, даже если у вселенной есть некоторая кривизна, наблюдаемая вселенная должна быть плоской на уровне, на котором мы можем ее измерить. Но мы не * знаем *, что теория инфляции верна. Так что да, важно проводить эксперименты, подобные тем, которые проводятся WMAP. Если бы мы обнаружили отклонения от плоскостности в наблюдаемой вселенной, то это дало бы доказательства против инфляции.

Метки
Вселенная

Стационарная Вселенная

Можно сказать, что теория стационарной Вселенной уже устарела. Но в своё время её поддерживали многие учёные. Это суждение о возникновении Вселенной, абсолютно противоположное теории Большого Взрыва. Считалось, что во время расширения Вселенной образовывалась новая материя. Тем самым однородность и изотропность существовали и в пространстве, и во времени.

Однако, когда открыли реликтовое излучение, стационарная модель стала малоактуальной. А сейчас и вовсе осталась только в истории космологии.

Возможность вторая: время вторично / приблизительно

Вторая возможность состоит в том, что Вселенная вообще не эволюционирует – гамильтониан нулевой, пространство возможных состояний существует, но мы просто сидим в нём неподвижно, без фундаментального «течения времени». Вы можете решить, что эта возможность логическая, но не правдоподобная; ведь разве мы не видим, как всё вокруг нас всё время меняется? Но именно в эту возможность вы немедленно уткнётесь, если просто возьмёте классическую ОТО и попытаетесь её квантовать (то есть, изобрести квантовую теорию, сходящуюся к ОТО в классическом пределе). Мы не знаем, правильно ли это – Том Бэнкс, к примеру, считает, что нет – но эта возможность существует, поэтому нам надо подумать о том, что это могло бы значить, если бы оказалось правдой.
Мы, конечно, считаем, что ощущаем течение времени, но, может быть, время – вещь вторичная, а не фундаментальная (мне не кажется правильным использование слова «иллюзорный» в этом контексте, но другие не так осторожны). То есть, возможно, существует альтернативное описание этой одной неподвижной точки гильбертова пространства – описание, примерно похожее на «Вселенная эволюционирует во времени», по крайней мере, на какое-то время. Представьте себе брусок металла, находящийся на горячей поверхности, не эволюционирующий во времени, но с температурным градиентом, распределённым сверху вниз. Концептуально возможно поделить этот брусок на слои равной температуры, а затем написать уравнение, показывающее, как состояние бруска меняется от слоя к слою, и обнаружить, что получившийся математический формализм похож на «эволюцию во времени». В этом случае, в отличие от предыдущего, время может кончиться (или начаться), поскольку оно изначально было полезным приближением, допустимым при определённых условиях.

Именно такой вариант имеют в виду такие квантовые космологи, как Джеймс Хартл, Стивен Хокинг, Алекс Виленкин, Андрей Линде и другие, говоря про «создание Вселенной из ничего». В этом представлении в истории Вселенной буквально существует момент, до которого других моментов не существовало. Есть граница времени (предположительно, перед Большим взрывом), до которой не было ничего. Ни вещества, ни квантовой волновой функции; не было ничего предыдущего, поскольку понятие «пред-» не имеет смысла. Это тоже интересно, важно, и об этом стоит написать книгу, и это ещё одна из возможностей, о которых рассуждает Лоуренс.

Жизнь в Солнечной системе

Несомненно, наша планета уникальна. Почему только на Земле возникла жизнь? На этот вопрос учёные умы столетиями пытаются найти и дать ответ.

Как известно, Земля образовалась примерно 4,5-5 миллиардов лет назад. А жизнь на ней зародилась 1,2 миллиарда лет спустя.

Существует несколько теорий образования жизни на голубой планете. Но главными критериями её возникновения являются вода, температура, защита от ультрафиолетового излучения Солнца и сила притяжения планеты.

Сейчас учёные пришли к мнению, что жизнь есть не только на Земле. Они активно исследуют другие планеты и спутники Солнечной системы.

Анализируя данные, не исключена возможность для полноценной жизни и на других объектах космоса. Но, к сожалению, пока это только наработки и исследования.

Одиноки ли мы во вселенной? Однозначного ответа на этот вопрос нет.

«Возможно всё, на невозможное просто требуется больше времени» Дэн Браун

Спросите Итана: как выглядит край Вселенной?

13,8 млрд лет назад известная нам Вселенная началась с Большого взрыва. За это время расширилось пространство, материя испытывала гравитационное притяжение, и в результате мы получили такую Вселенную, какую наблюдаем сегодня. Но пусть она и огромна, у наших наблюдений есть пределы. На определённом расстоянии галактики исчезают, звёзды тускнеют, и никаких сигналов от удалённых частей Вселенной мы не получаем. А что же находится за этим пределом? На этой неделе читатель спрашивает:

Если Вселенная конечна в объёме, где находится её граница? Можно ли к ней приблизиться? Как она будет выглядеть?

Начнём с нашего текущего местоположения, и заглянем так далеко, как сумеем.

Это имеет смысл при условии наличия у Вселенной начала: дня рождения. Именно этим и был Большой взрыв, день, когда родилась известная нам Вселенная. Возраст галактики, находящейся относительно недалеко от нашей, совпадает с нашим возрастом. Но рассматривая галактику, находящуюся в миллиардах световых лет от нас, мы видим свет, которому пришлось идти миллиарды лет, прежде чем он достиг наших глаз. Возраст галактики, свету которой потребовалось 13 млрд лет на то, чтобы дойти до нас, должен быть менее миллиарда лет, и заглядывая всё дальше в пространство мы, по сути, заглядываем в прошлое.

Выше приведено изображение проекта Хаббл eXtreme Deep Field (XDF), глубочайшее изображение удалённой Вселенной. На нём видны тысячи галактик, находящиеся на сильно различных расстояниях от нас и друг от друга. Но в простом цвете нельзя увидеть, что с каждой галактикой связан определённый спектр, в котором облака газа поглощают свет совершенно определённых длин волн, благодаря простой физике атома. С расширением Вселенной эта длина растягивается, поэтому более дальние галактики кажутся нам более красными. Эта физика позволяет нам делать предположения о расстоянии до них, и когда мы расставляем эти расстояния, выясняется, что самыми удалёнными галактиками оказываются самые молодые и мелкие.

За галактиками должны находиться первые звёзды, а затем ничего, кроме нейтрального газа — когда у Вселенной не было времени стянуть материю в достаточно плотные для формирования звёзд структуры. Пройдя ещё на несколько миллионов лет назад, мы увидим, что излучение во Вселенной было настолько горячим, что там не могли сформироваться нейтральные атомы, а значит фотоны постоянно отскакивали от заряженных частиц. Когда же нейтральные атомы сформировались, этот свет должен был просто пойти по прямой линии, и идти вечно, поскольку на него не влияет ничего, кроме расширения Вселенной. Открытие этого остаточного свечения — реликтового излучения — более 50 лет назад стало окончательным подтверждением Большого взрыва.

С нашего сегодняшнего местоположения мы можем посмотреть в любом направлении и увидеть одинаковый ход космической истории. Сегодня, спустя 13,8 млрд лет после Большого взрыва, у нас есть известные нам галактики и звёзды. Раньше галактики были меньше, голубее, моложе и не такие развитые. До того были первые звёзды, а до этого — только нейтральные атомы. До нейтральных атомов была ионизированная плазма, а до неё — свободные протоны и нейтроны, спонтанное возникновение материи и антиматерии, свободные кварки и глюоны, все нестабильные частицы Стандартной Модели, и, наконец, сам момент Большого взрыва. Заглядывать на всё более дальние расстояния — это всё равно, что заглядывать в прошлое.

Хотя это определяет нашу наблюдаемую Вселенную — с теоретической границей Большого взрыва, находящейся в 46,1 млрд световых лет от нашего местоположения — это не будет какой-то реальной границей пространства. Это просто граница во времени; существуют ограничения того, что мы можем увидеть, поскольку скорость света позволила информации путешествовать только 13,8 млрд лет с момента горячего Большого взрыва. Это расстояние больше 13,8 млрд световых лет, поскольку ткань Вселенной расширялась (и продолжает расширяться), но оно всё равно конечно. Но что насчёт времени до Большого взрыва? Что бы вы увидели, если бы как-то попали за одну долю секунды до того, как Вселенная обладала высочайшей из энергий, была плотной, горячей, полной материи, антиматерии и излучения?

Вы бы обнаружили состояние космической инфляции, в котором Вселенная расширялась чрезвычайно быстро, и в котором доминировала энергия, присущая самому пространству. Пространство в это время экспоненциально расширялось, было растянуто до плоского состояния, приобрело одинаковые свойства во всех местах, существовавшие тогда частицы были разбросаны в разные стороны, а флуктуации, присущие квантовым полям, были растянуты по всей Вселенной. Когда инфляция закончилась в том месте, где находимся мы, горячий Большой взрыв наполнил Вселенную материей и излучением, и породил ту часть Вселенной — наблюдаемую Вселенную — которую мы видим сегодня. И вот, 13,8 млрд лет спустя, мы имеем то, что имеем.

Наше расположение ничем особенным не отличается, ни в пространстве, ни во времени. То, что мы можем видеть на 46 млрд световых лет, не придаёт какого-то особого значения этой границе или этому местоположению. Это просто ограничение нашего поля зрения. Если бы мы каким-то образом смогли сделать фотографию всей Вселенной, простирающуюся за наблюдаемую границу, такой, какой она стала через 13,8 млрд лет после Большого взрыва, она бы вся выглядела так, как наша ближайшая часть. В ней была бы великая космическая сеть галактик, скоплений, галактических нитей, космических войдов, простирающихся за пределы относительно небольшого участка, видимого нам. Любой наблюдатель в любом месте увидел бы Вселенную, очень похожую на ту, что мы видим со своей точки зрения.

Отдельные детали отличались бы, как отличаются детали нашей Солнечной системы, Галактики, местной группы и т.п. от деталей другого наблюдателя. Но Вселенная не ограничена в объёме — ограничена только её наблюдаемая нами часть. Причиной тому временная граница — Большой взрыв — отделяющая нас от остальной части. Мы можем приблизиться к ней только при помощи телескопов, заглядывающих в ранние дни Вселенной, и в теории. Пока мы не придумаем, как обхитрить текущее в одну сторону время, это будет нашим единственным подходом к пониманию «границы» Вселенной. Но в космосе никаких границ нет. Насколько мы знаем, некто на краю нашей наблюдаемой Вселенной просто увидел бы нас на краю своей наблюдаемой Вселенной!

Итан Сигель – астрофизик, популяризатор науки, автор блога Starts With A Bang! Написал книги «За пределами галактики» [Beyond The Galaxy], и «Трекнология: наука Звёздного пути» [Treknology].

ЧаВо: если Вселенная расширяется, почему не расширяемся мы; почему возраст Вселенной не совпадает с радиусом наблюдаемой её части

.

Очевидная бесконечность

Так можно было бы охарактеризовать размер нашей Вселенной. Но… Учёные нашего времени определили наблюдательную Вселенную с её границами и размерами. Кстати, немалыми.

Бесконечность пространства присутствует в основном в философских взглядах. В современной науке, как оказалось, границы стали более реальными и отчётливыми.

Только как бы не развивался прогресс, вопрос о том, что же находится за этими гранями, до сих пор остаётся открытым. Поэтому, как бы парадоксально это не звучало, бесконечность поистине остаётся очевидной. Какой-то замкнутый круг, не правда ли?

Машина времени

Как же еще мы можем узнать о нашем прошлом? Для этого нам стоит посмотреть в небо. Космос — самая настоящая машина времени, с её помощью мы можем увидеть Вселенную такой, какой она была более 10 миллиардов лет назад. Наверняка вы знаете, что свет от далеких звезд доходит до нас в течение многих миллионов лет. Даже лучи Солнца, до которого, как нам кажется рукой подать, достигают Земли за восемь минут. То есть, если вы встанете и посмотрите в окно, то увидите солнце там, где оно было восемь минут назад. Отголоски Большого взрыва доходят до нас до сих пор. Одним из них является реликтовое излучение.

Впервые гипотеза о существовании реликтового излучения была выдвинута советским и американским ученым Георгием Гамовым, когда он вместе со своим коллегами Ральфом Альфером и Робертом Германом разрабатывал самую первую модель теории Большого взрыва. Сам Георгий, кстати, практически точно угадал температуру излучения — три кельвина (позже, в ходе исследований, было принято точное значение 2.7 К). Давайте перейдем к самой сути. Реликтовое излучение — это след из прошлого нашей Вселенной. Для наглядности мы можем сравнить это со следами человека. По ним мы можем определить, откуда человек начал свой путь, каким шагом он шел, куда направлялся. Однако в данном случае эти следы куда масштабнее.

Согласно космологической модели, наша Вселенная состояла целиком из плазмы, образовавшейся под воздействием высоких температур от взрыва. Тогда безостановочно происходили процессы объединения протонов и электронов. В итоге, при их объединении появлялись атомы водорода. Однако под воздействием ионизирующего излучения, то есть фотонов, атомы водорода расщеплялись обратно. По мере расширения излучение стало отделяться от материи. И именно его мы до сих пор можем видеть, как реликтовое излучение. Но зафиксировать его возможно только в микроволновом фоне. Если бы наш человеческий глаз был бы способен видеть волны света миллиметрового диапазона, то его количество превосходило бы свет, испускаемый всеми взятыми звездами.

Арно и Роберт на фоне антенны, с помощью которой они обнаружили реликтовое излучение

Впервые реликтовое излучение было практически обнаружено в 1964-м году американскими астрономами Арно Пензиасом и Робертом Уилсоном. Как им удалось это сделать? Во время настройки рупорно-параболической антенны в Холмдейле для радиоисследования космоса, ученые все никак не могли избавиться от загадочного шума. Сначала они считали, что он исходит от внешних источников, которые могли бы мешать работе системы, но избавившись от всего, что только могло бы помешать, шум не пропал. Его особенностью была равномерность. Вне зависимости положения антенны его мощность не снижалась. Исследовав шум более подробно, ученые доказали существование реликтового излучения. Это событие стало еще одним доводом в пользу Теории Большого взрыва. Примечательно, что каждый из нас может увидеть реликтовое излучение у себя дома. Для этого необходимо включить телевизор на ненастроенный канал — вы увидите белый шум.

Благодаря открытию реликтового излучения мы смогли узнать больше о составе пространства, изучить подробно явление темной материи, а также убедиться в двумерности нашего пространства.

Несколько процентов этого белого шума и составляет излучение от Большого взрыва. А почему свет от него мы теперь можем видеть только в микроволновом фоне? Помните, я в одном из предыдущих пунктов рассказывал о «эффекте доплера», ну или так называемом «красном смещении». Так вот, по мере остывания Вселенной, субатомные частицы в плазме стали объединяться в элементы — началась эпоха рекомбинации. Пространство внутри неё стало прозрачным, и фотоны продолжили свое движение во всех направлениях, но так как Вселенная даже не собиралась останавливаться в расширении, частота волн света начала меняться. Сегодня мы имеем возможность наблюдать и исследовать реликтовое излучение в микроволновом диапазоне. Возможно, спустя несколько миллиардов лет наши потомки, либо другие разумные цивилизации смогут наблюдать реликтовое излучение исключительно, как радиоволны.

Удивительно, что мы стали первой цивилизацией, которая приблизилась настолько близко к ответам на вечные вопросы. О том, как появилось все живое в следующей главе.