Естествознание.ру
Вселенная
Появление эффективных инструментов измерения и исследования космоса позволило постепенно приблизиться к ответам на самые глобальные вопросы. Как устроен весь мир? Когда появилась Вселенная? По каким законам она существует и развивается? Изучая законы Вселенной, чужие галактики, звезды и планетные системы, мы изучаем себя. Мы начинаем понимать, как родилась Солнечная система и каково ее будущее, как устроена наша планета и какова ее ближайшая судьба.
Каждая светящаяся точка галактики — звезда. Многие звезды имеют свою систему планет. Все объекты Вселенной взаимодействуют по законам Ньютона и Эйнштейна: спутники вращаются вокруг своих планет, планеты — вокруг звезд, а звезды галактик — вокруг галактических центров.
Кратко о Вселенной
- Описание: астрономическая модель мира, в котором существуют наша планета, звезда, галактика, а также все остальные планеты, звезды и галактики вместе взятые.
- Возраст: примерно 14 млрд лет.
- Размер: бесконечна (по одной из научных теорий).
Структура и объекты Вселенной
Если бы существовала возможность улететь на сверхмощном космическом корабле на достаточное расстояние от нашей Вселенной, что же мы увидели бы в иллюминаторах, оглядываясь назад? Масштабные сгустки космического газа, яркие точки на черном фоне, а также скопления этих точек, где-то редкие, где-то частые, сливающиеся в единое свечение. Разберемся, как ученые представляют себе нашу Вселенную.
Космический наблюдатель и его выводы
В 2009 г. на орбиту Земли был выведен астрономический спутник-обсерватория «Планк» с грандиозной миссией — изучить ни много ни мало строение Вселенной. В 2013 г. ученые озвучили выводы, сделанные на основе наблюдений «Планка». Эти данные очень необычны. В общей структуре массы и энергии Вселенной все звезды и планеты составляют лишь ничтожные 0,4%, еще 3,6% приходится на галактический газ и пыль. Почти полностью, на 95%, Вселенная состоит из того, что называют темной энергией и темной материей.
Такова структура всей Вселенной, как ее видят ученые-физики и астрономы из НАСА. Каждая точка — это отдельная галактика. Цветом показана яркость галактик — от голубого и синего (самые яркие) до алого и бордового (самые тусклые).
Темная энергия
Основой Вселенной является темная энергия, на нее приходится примерно 68,2% массы и энергии всего сущего. Темная энергия никак не связана с темной материей, просто ученые не очень удачно подобрали названия для этих двух субстанций. Темная энергия — это энергия, заполняющая все пространство Вселенной. Она возникла во время Большого взрыва.
Темная материя
Почему космос черного цвета? Ученые говорят, что это благодаря темной (или же черной) материи. Ею заполнено примерно 26,8% Вселенной. А черная она потому, что не испускает ни светового, ни электромагнитного излучения. Она не видна ни в одном из известных нам диапазонов. На фоне темной материи светятся космические туманности.
Созидатель и разрушитель
В чем отличие темной энергии от темной материи? Темная материя обволакивает галактики, скрепляя их своей массой. Темная энергия же постоянно и неуклонно провоцирует расширение Вселенной, то есть ее разрушение. Предполагается, что через многие триллионы лет темная энергия разорвет не только всю темную материю, но и галактики, звезды и даже планеты.
Изучение Вселенной Альбертом Эйнштейном
Величайший физик-теоретик современной науки Альберт Эйнштейн (1879-1955) известен как автор общей теории относительности, которая описывает законы существования Вселенной. Альберт Эйнштейн доказал, что гравитация возникает при деформации пространства и времени массой тела. Если представить себе пространство и время в виде плоской поверхности, то массивные тела типа Земли или Солнца образуют в них «лунки».
Изучение Вселенной Исааком Ньютоном
Исаак Ньютон (1642—1727) — великий английский физик, математик, механик и астроном. Автор закона всемирного тяготения, в котором математическими формулами описал принцип взаимодействия тел. Согласно общеизвестной легенде, закон тяготения Ньютон открыл, наблюдая падение яблока.
Галактики
Одна из точек Вселенной — галактика. Изображенная ниже галактика принадлежит к спиралевидному типу, имеются также эллиптические, неправильные и линзовидные галактики. Такова структура всей Вселенной. Каждая точка — это отдельная галактика. Цветом показана яркость галактик: от голубого и синего (самые яркие) до алого и бордового (самые тусклые).
Галактики объединяются в группы галактик, такие группы образуют скопления и сверхскопления. Последние выстраиваются в нити и цепочки.
Развитие Вселенной
- Космическое событие, согласно общепринятой теории, положившее начало всей материи и времени,— Большой взрыв. С момента этого события прошло примерно 14 млрд лет.
- Через 300 млн лет после Большого взрыва начали формироваться первые звезды, а после миллиарда лет сформировались галактики.
- Через 100 млрд млрд лет соседние галактики разойдутся на такие расстояния, что перестанут быть видимы.
- Через 100 триллионов млрд лет погаснет большая часть звезд, и во Вселенной будут преобладать черные дыры.
- Процесс образования звезд окончательно прекратится через триллион триллионов лет. Вся энергия Большого взрыва исчерпается, и во Вселенной наступит полная темнота.
Скорости и расстояния во Вселенной
Земная система измерения космических расстояний для масштабов Вселенной подходит плохо. Чтобы описать расстояния в космосе в километрах, придется оперировать числами со многими нулями: миллионами, миллиардами, триллионами (соответственно 1 000 000, 1 000 000 000 и 1 000 000 000 000). Это очень неудобно. Поэтому ученые разработали систему астрономических величин. Познакомимся с ними.
Сколько километров проходит свет за год?
Световой год (св. г.) — расстояние, проходимое светом за один земной год. Скорость света составляет немыслимую цифру 299 792 458 м/с, или 1 079 252 849 км/ч. За год свет проходит гигантское расстояние — 9 460 730 472 580 км (примерно 63 200 а. е.). Можно подсчитать, что максимальный радиус области гравитационного влияния Солнца (1) составляет примерно 2 св. г., или 125 000 а. е.
Максимальная единица измерения длины
Самая большая единица космического расстояния — парсек (пк). 1 пк = 206 265 а. е. — 3,26 св. г. К примеру, расстояние от Солнца (2) до ближайшей звезды нашей галактики, Проксима Центавра (3), составляет 1.3 пк, или 4,2 св. г., или 265 000 а. е. Звезда Солнце располагается от центра своей галактики на расстоянии приблизительно 26 000 св. лет, или около 7200 пк (4).
Несколько примеров космических расстояний
Ближайшая к нам галактика — Андромеда — находится на расстоянии 2,5 млн св. лет, или около 770 000 пк (5). Диаметр диска нашей галактики составляет 100 000 св. лет, или около 30 000 пк (6). Диаметр диска галактики Андромеда составляет 260 000 св. лет, или примерно 80 000 пк (7).
Астрономическая единица (а. е.) — это базовая единица измерения расстояний в астрономии, приблизительно равная средней дистанции от Земли до Солнца. 1 а. е. равна в точности 149 597 870 700 м, но чаще всего ее величину округляют до 149,6 млн км (8).
Быстрее пули
Живя своей обычной жизнью, мы даже не представляем, с какими поистине космическими скоростями мы передвигаемся через пространство Вселенной. Планета Земля вращается вокруг Солнца со скоростью 29,78 км/с. Много это или мало? Один километр в секунду — это 3600 км/ч, то есть скорость Земли составляет 107 208 км/ч. Для сравнения: начальная скорость пули автомата Калашникова составляет 715 м/с, что равно 2574 км/ч. То есть Земля и все, что на ней расположено, включая читателя этих строк, несется вокруг звезды примерно в 40 раз быстрее пули!
Куда мы летим?
Солнечная система находится в движении относительно центра нашей галактики. Скорость составляет около 40 а. е. в год, или 200 км/с. Наша галактика также не стоит на месте, а сближается с галактикой Андромеды со скоростью 100-150 км/с. Местная группа галактик, включая Млечный Путь, движется к скоплению Девы (ближайшая к нам группа галактик) со скоростью 400 км/с.
Источник
Как образовалась Вселенная
Что же такое Вселенная? Если емко, то это сумма всего существующего. Это все время, пространство, материя и энергия, образовавшиеся и расширяющиеся вот уже 13.8 миллиардов лет. Никто не может точно сказать, насколько обширны просторы нашего мира и пока нет точных предсказаний финала.
Определение Вселенной
Само слово «Вселенная» происходит от латинского «universum». Впервые его использовал Цицерон, а уже после него оно стало общепринятым у римских авторов. Понятие обозначало мир и космос. На тот момент люди в этих словах видели Землю, все известные живые существа, Луну, Солнце, планеты (Меркурий, Венера, Марс, Юпитер и Сатурн) и звезды.
Иногда вместо «Вселенная» используют «космос», которое с греческого переводится как «мир». Кроме того, среди терминов фигурировали «природа» и «все».
В современном понятии вмещают все, что существует во Вселенной – наша система, Млечный Путь и прочие структуры. Также сюда входят все виды энергии, пространство-время и физические законы.
Одним из основных вопросов, которые не выходят из сознания человека, всегда был и является вопрос: «как появилась Вселенная?». Конечно же, однозначного ответа на данный вопрос нет, и вряд ли будет получен в скором времени, однако наука работает в этом направлении и формирует некую теоретическую модель зарождения нашей Вселенной.
Теории происхождения Вселенной
Креационизм: все создал Господь Бог
Среди всех теорий о происхождении Вселенной эта появилась самой первой. Очень хорошая и удобная версия, которая, пожалуй, будет иметь актуальность всегда. Кстати, многие ученые физики, несмотря на то что наука и религия часто представляются понятиями противоположными, верили в Бога.
Например, Альберт Эйнштейн говорил:
«Каждый серьезный естествоиспытатель должен быть каким-то образом человеком религиозным. Иначе он не способен себе представить, что те невероятно тонкие взаимозависимости, которые он наблюдает, выдуманы не им.»
Теория Большого Взрыва (модель горячей Вселенной)
Пожалуй, самая распространенная и наиболее признанная модель происхождения нашей Вселенной. Отвечает на вопрос — каким образом образовались химические элементы и почему распространённость их именно такая, какая сейчас наблюдается.
Согласно этой теории, около 14 миллиардов назад, пространства и времени не было, а вся масса вселенной была сосредоточена в крохотной точке с невероятной плотностью – в сингулярности. Однажды из-за возникшей в ней неоднородности, произошел так называемый Большой Взрыв. И с тех пор Вселенная постоянно расширяется и остывает.
Теория Большого взрыв
Первые 10 -43 секунды после Большого Взрыва называют этапом квантового хаоса. Природа мироздания на этом этапе существования не поддается описанию в рамках известной нам физики. Происходит распад непрерывного единого пространства-времени на кванты.
Спустя 10 000 лет энергия вещества постепенно превосходит энергию излучения и происходит их разделения. Вещество начинает доминировать над излучением, возникает реликтовый фон.
Теория Большого Взрыва тверже встала на ноги после открытия космологического красного смещения и реликтового излучения. Два этих явления — самые весомые доводы в пользу правильности теории.
Также разделение вещества с излучением значительно усилило изначальные неоднородности в распределении вещества, в результате чего начали образовываться галактики и сверхгалактики. Законны Вселенной пришли к тому виду, в котором мы наблюдаем их сегодня.
Модель расширяющейся Вселенной
Сейчас доподлинно известно, что Галактики и иные космические объекты удаляются друг от друга, а значит, Вселенная расширяется.
Модель расширяющейся Вселенной описывает сам факт расширения. В общем случае не рассматривается, когда и почему Вселенная начала расширяться. В основе большинства моделей лежит общая теория относительности и её геометрический взгляд на природу гравитации.
Красное смещение – это наблюдаемое для далеких источников понижение частот излучения, которое объясняется отдалением источников (галактик, квазаров) друг от друга. Данный факт свидетельствует о том, что Вселенная расширяется.
Реликтовое излучение – это как бы отголоски большого взрыва. Ранее Вселенная представляла собой горячую плазму, которая постепенно остывала. Еще с тех далеких времен во Вселенной остались так называемые блуждающие фотоны, которые образуют фоновое космическое излучение. Ранее при более высоких температурах Вселенной данное излучение было гораздо мощнее. Сейчас же его спектр соответствует спектру излучения абсолютно твердого тела с температурой всего 2,7 Кельвин.
Теория эволюции крупномасштабных структур
Как показывают данные по реликтовому фону, в момент отделения излучения от вещества Вселенная была фактически однородна, флуктуации вещества были крайне малыми, и это представляет собой значительную проблему.
Вторая проблема — ячеистая структура сверхскоплений галактик и одновременно сфероподобная — у скоплений меньших размеров. Любая теория, пытающаяся объяснить происхождение крупномасштабной структуры Вселенной, в обязательном порядке должна решить эти две проблемы.
Современная теория формирования крупномасштабной структуры, как впрочем и отдельных галактик, носит названия «иерархическая теория».
Суть — вначале галактики были небольшие по размеру (примерно как Магеллановы облака ), но со временем они сливаются, образуя всё большие галактики.
В последнее время верность теории поставлена под вопрос.
Теория струн
Эта гипотеза в некоторой степени опровергает Большой взрыв в качестве начального момента возникновения элементов открытого космоса.
Согласно теории струн, Вселенная существовала всегда. Гипотеза описывает взаимодействие и структуру материи, где существует определенный набор частиц, которые делятся на кварки, бозоны и лептоны. Говоря простым языком, эти элементы являются основой мироздания, поскольку их размер настолько мал, что деление на другие составляющие стало невозможным.
Отличительной чертой теории о том, как образовалась Вселенная, становится утверждение о вышеупомянутых частицах, которые представляют собой ультрамикроскопические струны, которые постоянно колеблются. Поодиночке они не имеют материальной формы, являясь энергией, которая в совокупности создает все физические элементы космоса.
Примером в данной ситуации послужит огонь: глядя на него, он кажется материей, однако он неосязаем.
Хаотическая теория инфляции — теория Андрея Линде
Согласно данной теории существует некоторое скалярное поле, которое неоднородно во всем своем объеме. То есть в различных областях вселенной скалярное поле имеет разное значение. Тогда в областях, где поле слабое – ничего не происходит, в то время как области с сильных полем начинают расширяться (инфляция) за счет его энергии, образуя при этом новые вселенные.
Такой сценарий подразумевает существование множества миров, возникших неодновременно и имеющих свой набор элементарных частиц, а, следовательно, и законов природы.
Теория Ли Смолина
Эта теория достаточно известна и предполагает, что Большой Взрыв не является началом существования Вселенной, а – лишь фазовым переходом между двумя ее состояниями. Так как до Большого Взрыва Вселенная существовала в форме космологической сингулярности, близкой по своей природе к сингулярности черной дыры, Смолин предполагает, что Вселенная могла возникнуть из черной дыры.
Эволюция Вселенной
Как происходил процесс развития и эволюции Вселенной? В течение следующих миллиардов лет гравитация заставила более плотные области притягиваться. В этом процессе формировались газовые облака, звезды, галактические структуры и прочие небесные объекты.
Этот период именуют Структурной Эпохой, так как именно в этот временной отрезок зарождалась современная Вселенная. Видимое вещество распределялось на различные формирования (звезды в галактики, а те в скопления и сверхскопления).
Что было до появления Вселенной
Сложно представить время за 13,7 миллиардов лет до сегодняшнего дня, когда вся Вселенная представляла собой сингулярность. Согласно теории Большого взрыва, один из главных претендентов на роль объяснения того, откуда появилась Вселенная и вся материя в космосе — все было сжато в точку, меньшую, чем субатомная частица. Но если это еще можно принять, задумайтесь вот о чем: что же было до того, как случился Большой взрыв?
Этот вопрос современной космологии уходит корнями еще в четвертое столетие нашей эры. 1600 лет назад теолог Августин Блаженный как и один из лучших физиков 20 века Альберт Эйнштейн пытались понять природу до сотворения Вселенной. Они пришли к выводу , что просто не было никакого «до».
В настоящее время человеком выдвигаются различные теории.
Теория Мультивселенной
Что если наша Вселенная является потомком другой, старшей Вселенной? Некоторые астрофизики полагают, что пролить свет на эту историю поможет реликтовое излучение, оставшееся от большого взрыва.
Согласно этой теории, в первые мгновения своего существования Вселенная начала чрезвычайно быстро расширяться. Также теория объясняет температуру и плотность флуктуаций реликтового излучения и подсказывает, что эти флуктуации должны быть одинаковыми.
Но, как выяснилось, нет. Последние исследования дали понять, что Вселенная на самом деле однобока, и в некоторых областях флуктуаций больше, чем в других. Некоторые космологи считают, что это наблюдение подтверждает, что у нашей Вселенной была «мать»(!)
В теории хаотической инфляции эта идея приобретает размах: бесконечный прогресс инфляционных пузырьков порождает обилие вселенных, и каждая из них порождает еще больше инфляционных пузырьков в огромном количестве Мультивселенных.
Теория белых и черных дыр
Тем не менее, существуют модели, которыми пытаются объяснить образование сингулярности до большого взрыва. Если вы думаете о черных дырах как о гигантских мусоросборниках, они являются главными кандидатами первоначального сжатия, поэтому наша расширяющаяся Вселенная вполне может быть белой дырой — выходным отверстием черной дыры, и каждая черная дыра в нашей Вселенной может вмещать в себя отдельную вселенную.
Большой скачок
Другие ученые считают, что в основе формирования сингулярности лежит цикл под названием «большой скачок», в результате которого расширяющаяся вселенная в итоге коллапсирует сама в себя, порождая другую сингулярность, которая, опять же, порождает другой большой взрыв.
Этот процесс будет вечным, и все сингулярности и все схлопывания не будут представлять собой ничего другого, кроме как переход в другую фазу существования Вселенной.
Теория циклической Вселенной
Последнее объяснение, которое мы рассмотрим, использует идею циклической Вселенной, порожденной теорией струн. Она предполагает, что новая материя и потоки энергии появляются каждые триллионы лет, когда две мембраны или браны, лежащие за пределами наших измерений, сталкиваются между собой.
Что было до Большого взрыва? Вопрос остается открытым. Может быть, ничего. Может, другая Вселенная или другая версия нашей. Может, океан Вселенных, в каждой из которых — свой набор законов и констант, диктующих природу физической реальности.
Проблемы современных моделей рождения и эволюции Вселенной
Многие теории, касающиеся Вселенной в последнее время сталкиваются с проблемами, как теоретического, так и, что более важно, наблюдательного характера:
- Вопрос о форме Вселенной является важным открытым вопросом космологии. Говоря математическим языком, перед нами стоит проблема поиска трёхмерного пространственного сечения Вселенной, то есть такой фигуры, которая наилучшим образом представляет пространственный аспект Вселенной.
- Неизвестно, является ли Вселенная глобально пространственно плоской, то есть применимы ли законы Евклидовой геометрии на самых больших масштабах.
- Также неизвестно, является ли Вселенная односвязной или многосвязной. Согласно стандартной модели расширения, Вселенная не имеет пространственных границ, но может быть пространственно конечна.
- Существуют предположения, что Вселенная изначально родилась вращающейся. Классическим представлением о зарождении является идея об изотропности Большого взрыва, то есть о распространении энергии одинаково во все стороны. Однако появилась и получила некоторое подтверждение конкурирующая гипотеза о наличии изначального момента вращения Вселенной.
Видео
Источник