Почему вселенная расширяется? И как долго?
Наша вселенная расширяется. С ускорением. Каждую секунду пространство между космическими галактиками растет все быстрее и быстрее.
Какова будет конечная судьба Вселенной — вечное расширение или великий крах? Ключом к этому является понимание «темной энергии» — самой большой загадки современной астрофизики, которая также является причиной ускорения, которое началось внезапно 4-5 миллиардов лет назад.
Только в конце двадцатого века ученые обнаружили, что вселенная расширяется с ускорением. Его начало — около 5 миллиардов лет назад, относительно скоро до возраста вселенной, которой почти 14 миллиардов лет. Это оказался огромным сюрпризом для всех ученых, потому что, согласно тогдашним теориям, вселенная должна замедляться, а не ускорять свое расширение.
На самом деле, сам Эйнштейн столкнулся с проблемами, связанными с идеей об изменяющейся, а не статичной вселенной. Великий ученый считает, что почти до самого конца своей жизни вселенная должна быть статичной и неизменной — и при этом она не должна расширяться или уменьшаться. Именно по этой причине он меняет свои уравнения, которые говорят об обратном, и добавляет к ним так называемые космологическая постоянная, которая препятствует расширению пространства.
Когда в 1929 году американский астроном Эдвин Хаббл открыл так называемую красное смещение галактик, становится ясно, что кажется, что все другие галактики в космосе «убегают» от нас.
Когда автомобиль движется к нам, его звук меняется, а когда галактика движется, ее «цвет» меняется, и мы можем определить, приближается ли он к Земле или удаляется от нее.
Хаббл наблюдает за смещением видимого света галактик в красный спектр, что означает, что объект удаляется, и мы можем измерить его скорость. Это так называемый закон Хаббла, и скорость расширения сегодня известна как постоянная Хаббла (около 72 км в секунду на мегапарсек, равная 1 парсек = 31 триллион километров или 206 265 раз расстояния между Землей и Солнцем, и 1 мегапарсек = 1 миллион парсек).
Поэтому единственно возможное объяснение состоит в том, что пространство вселенной расширяется и не может быть статичным. И хотя эксперименты Хаббла являются эмпирическим доказательством, математическое изложение этого факта было сделано еще раньше бельгийским математиком Жоржем Ломмером в 1927 году. Перед лицом этого доказательства Эйнштейн отказался от космологической постоянной и даже назвал ее «самой большой ошибкой в его карьера».
Сегодня, однако, совершенно неожиданно, что нам снова нужна космологическая константа, хотя и немного другим способом.
Теория большого взрыва и эволюция вселенной
Как только станет ясно, что галактики убегают друг от друга, логично предположить, что в начале все они были сгруппированы в одном месте. Более того, мы можем предположить, что в самом начале вселенная была сжата в одну взорвавшуюся точку. Так рождается теория большого взрыва.
Сегодня это одна из широко признанных и проверенных теорий развития вселенной. Причина в ее огромной объяснительной силе. Действительно, если все когда-либо было собрано в одной точке, то это состояние должно быть с огромной температурой и невероятной плотностью. Моделирование таких условий является одной из задач современных ускорителей частиц, таких как Большой адронный ускоритель в ЦЕРНе. Объясняя появление химических элементов в результате Большого взрыва, Первичный нуклеосинтез, также является одним из больших успехов теоретической ядерной физики.
Но это остается проблемой. Предполагая, что был начальный Большой взрыв, который «раздувает вселенную» и обеспечивает сравнительную однородность пространства в большом масштабе, и в любом направлении, которое так, и мы наблюдаем это, если будет какой-либо энергетический след этого первичного колоссального взрыва, который мы можем видеть? Оказывается, есть доказательство.
Это так называемый космическое микроволновое фоновое излучение, также называемое остаточным или реликтовым излучением. Идея состоит в том, что, когда вселенная очень молода, она находится в чрезвычайно плотном и горячем состоянии плазмы и непрозрачна. Во время процесса расширения его температура снижается, и он начинает охлаждаться. При более низкой температуре могут образовываться стабильные атомы, но они не могут поглощать тепло, и Вселенная становится прозрачной (примерно через 300-400 лет после взрыва). Это время, когда испускаются первые фотоны, которые даже сегодня циркулируют в пространстве и могут быть обнаружены нами. Поэтому их излучение называется реликтовым, т.е. остаточное. Этот момент — также самая далекая вещь, которую мы можем видеть с нашими телескопами.
В 1964 году два радиоастронома — Арно Пензиас и Роберт Уилсон — экспериментально обнаружили эффект реликтового фона — устойчивый микроволновый «шум» с температурой около 2,7 Кельвина, равномерный в любой точке неба без связи со звездой или другим объектом. Это голос космоса, остаток взрыва, породившего нашу вселенную. Это окончательное доказательство справедливости теории Большого взрыва, за которую два радиоастронома получили Нобелевскую премию в 1978 году.
Космическое микроволновое фоновое излучение
Помимо неоспоримого доказательства Большого взрыва, реликтовое излучение дало нам еще кое-что. Зонд WMAP (микроволновый зонд анизотропии Уилкинсона), запущенный в 2001 году, отображает космическое фоновое излучение в наблюдаемой Вселенной. Различный цвет рисунка соответствует небольшой разнице в температуре излучения. В результате излучение является однородным с точностью до пяти знаков после запятой. Однако там, после пятого знака, что-то интересное и удивительное — темная материя.
Он взаимодействует только гравитационно, и мы не можем установить или доказать это каким-либо другим способом. По оценкам, его содержание составляет около 25 процентов от общей плотности вселенной, в то время как обычная, наша материя, составляет всего 4-5 процентов.
Хотя темную материю нельзя наблюдать непосредственно, ее присутствие было предложено Фрицем Цвицким в 1934 году для объяснения так называемой «Проблема с недостающей массой».
Оказывается, что галактики не могут быть стабильными и вращаться, как они это делают, если не существует огромного количества скрытой массы, удерживающей звезды в соединенной галактике. Результаты исследования космического фонового излучения однозначно подтверждают наличие большого количества темной материи.
Результаты WMAP также можно использовать для проверки геометрии юниверса — закрытой, открытой или плоской.
Сегодня мы знаем, что Вселенная плоская с точностью до 0,5 процента. Это хорошо, но это также означает, что в зависимости от плотности вещества и энергии во вселенной у нас может быть другой конец эволюции пространства. Если общая плотность (так называемый космологический параметр Омеги) превышает критическую массу, Вселенная может сжаться в так называемую Большой крах, прямо противоположный большому взрыву. Или, наоборот, мы можем расширяться до бесконечности, пока сама вселенная не станет довольно холодной, пустынной и относительно скучной. Это теория Большого охлаждения.
Темная энергия и конечная судьба Вселенной
На самом деле, как мы можем знать, что произошло с пространством Вселенной, и что будет с ним в будущем? Поскольку скорость света ограничена, чем дальше находится объект, тем дольше свет должен будет добраться до нас. Например, путь света от нашего Солнца до Земли составляет чуть более 8 минут. Наблюдая с помощью наших телескопов далеких звезд, мы на самом деле видим прошлое, когда ловим свет, который давно покинул их и только сейчас достигает нас. Тогда, если мы знаем, что наблюдаем два одинаковых объекта, но на разном расстоянии, мы можем вывести изменение пространства между ними во времени.
Объекты, которые относительно «идентичны» в космосе, известны как стандартные свечи.
Это могут быть переменные звезды особого типа, так называемые Цефеиды. Они пульсируют одинаково, т.е. излучать один и тот же световой поток через равные промежутки времени. Другими такими объектами, которые являются еще более точными показателями расстояний, являются вспышки сверхновых типа IA. Они представляют собой термоядерное разрушение звезды (фактически пары звезд). Из-за особенностей процесса всегда выделяется одна и та же энергия. Вот почему сверхновые IA — наши самые известные стандартные свечи.
В частности, в 1997 году исследования сверхновых показали, что Вселенная расширяется с ускорением. Поскольку энергия вспышки всегда одна и та же, разница, которую мы наблюдаем (более тусклые или более яркие вспышки), обусловлена исключительно разницей в динамике пространства. Таким образом, мы можем получить карту эволюции пространства во времени. Оказывается, что в первые 8-9 миллиардов лет после взрыва Вселенная замедляется, как и следовало ожидать, а затем внезапно начинает расширяться с ускорением!
Это огромный парадокс, и причина ускоренного расширения пока неизвестна. Чтобы объяснить это, ученые вновь вводят космологическую постоянную Эйнштейна в уравнения, но с противоположным знаком — то есть он действует как антигравитация и целесообразно расширяет пространство.
Тем не менее похоже, что Эйнштейн не так сильно ошибался.
Сегодня мы знаем, что темная энергия занимает около 70 процентов от общей плотности энергии Вселенной. Мы понятия не имеем, почему он начинает свое действие или какова его природа. Вполне возможно, что его сила будет уменьшаться или увеличиваться со временем.
В зависимости от этого, есть два сценария конца нашей вселенной. Если космологическая постоянная продолжает работать и расти, мы будем расширяться вечно. Если, наоборот, его сила уменьшается и гравитация побеждает, тогда концом нашего космоса может стать Великое Падение. Тогда, почему бы и нет, возможно, новая вселенная родится в новом космическом Большом Взрыве. Но пока это просто загадки, ответы на которые скоро будут раскрыты.
Источник
Если вселенная расширяется почему не расширяются предметы вокруг нас?
Недавно от одного из наших подписчиков я получил следующий вопрос:
Если вселенная расширяется, значит ли это, что мы все расширяемся вместе с ней? Или наш мир отдельно, а вселенная расширяется отдельно от нас?
Вопрос действительно интересный, ведь если расстояние между всеми телами во вселенной постоянно увеличивается, то странно, что оно остаётся неизменным между атомами наших тел.
Как определили, что Вселенная расширяется ?
Расширение вселенной было подтверждено ещё в 1922 году, тогда американский астроном Весто Слайфер определил, что почти все наблюдаемые галактики, за исключением трёх, двигаются прочь от Солнца, а Артур Эддингтон на основе этого и существовавших тогда космологических моделей выдвинул гипотезу: Расширение вселенной является её фундаментальным свойством и чем дальше от нас объект, тем больше его относительная скорость. В 1927 году Жоржем Леметром, а в 1929 году Эдвином Хабблом соответственно была открыта и уточнена формулы данного закона.
С тех пор и до сего дня данный закон не изменился, корректировалось только значения постоянной Хаббла, а после открытия ускоренного расширения Вселенной учёные пришли к выводу, что постоянная Хаббла не такая уж и постоянная и со временем она увеличивается.
За счёт чего расширяется Вселенная?
Очень часто можно встретить мнение, что большой взрыв произошёл в какой-то точке пространства и от неё разлетаются обломки в виде галактик, как осколки гранаты при взрыве, и именно такой разлёт и представляет собой расширение вселенной, однако. это не так.
В действительности большой взрыв не был взрывом в прямом смысле этого слова, фактически большой взрыв — это процесс появления самого пространства. И оно продолжает появляться, то есть в каждой точке Вселенной каждый миг появляется ещё немного пространства, чем дальше от нас объект тем больше между нами таких точек и, соответственно, тем больше каждую секунду между нами появляется пространства. Согласно закону Хаббла, между нами и объектом, находящемся в 3 млн световых лет от нас каждую секунду образуется около 70 км пространства.
Почему не расширяются тела вокруг нас?
Кроме расширения пространства между всеми телами также действует гравитационное притяжение, чем массивней и ближе друг к другу объекты тем сильнее они притягиваются. На масштабах планетных систем, галактик, а также скоплений галактик это притяжение значительно сильнее, чем расширение Вселенной. Таким образом, расширение полностью компенсируется гравитацией и становится незаметным. В твёрдых телах, жидкостях и газах в дополнение к гравитации действуют ещё и куда более интенсивные силы межмолекулярного притяжения, которые также нивелируют расширение Вселенной на масштабах частиц.
Однако согласно современным космологическим моделям так будет не всегда, со временем расширение Вселенной будет ускоряться и наступит момент, когда гравитация уже не сможет его компенсировать, после этого сначала астрономические системы, а затем и обычные тела начнут заметно расширяться и, в конце концов, всё во вселенной будет разорвано на элементарные частицы, которые расширение разнесёт на бесконечное расстояние друг от друга. Данный космологический сценарий носит название большой разрыв.
Даже если бы притяжения между телами не существовало, мы не смогли бы заметить расширение объектов вокруг нас. Как было сказано выше, чем больше расстояние до объекта, тем больше пространства образуется между нами каждую секунду, на масштабах тел с которыми мы взаимодействуем каждый день данное расширение оказывается невообразимо малым. К примеру, если же взять объекты, удалённые друг от друга на 1 метр, то они будут отдаляться друг от друга со скоростью 2,4 аттометра в секунду, с такой скоростью, чтобы отдалиться друг от друга ещё на 1 метр им понадобится около 10 млрд лет. А на масштабах микрочастиц расширение будет ещё более медленным и абсолютно не заметным невооружённым взглядом даже за всю человеческую жизнь.
Ставьте палец вверх, чтобы видеть в своей ленте больше статей о космосе и науке!
Подписывайтесь на мой канал здесь, а также на мои каналы в телеграме и на youtube . Там вы можете почитать большое количество интересных материалов, а также задать свой вопрос. Поддержать наш канал материально можно через patreon .
Источник
Откуда мы знаем, что Вселенная расширяется?
Сама идея о том, что Вселенная расширяется — довольно новая. Хотя если поразмыслить логически люди могли додуматься до нее уже в 17-18 веках — сразу после открытия закона Всемирного тяготения. Ведь действительно — если все тела притягиваются друг к другу с силой прямо пропорциональной произведению их масс и обратно пропорциональной квадрату расстояний между ними, то с течением времени вся материя во вселенной сбилась бы в одну «кучу». Однако ничего похожего мы не наблюдаем. Это возможно в двух случаях а) закон Всемирного тяготения неверен б) расстояние между массами увеличивается быстрее, чем сила тяготения успевает его уменьшить.
Однако до первой половины 20-го века никто до этого не додумался. Даже великий Эйнштейн не представлял себе возможности расширяющейся вселенной, хотя она и напрямую следовала из его теории относительности. Первым понял, что вселенная расширяется великий американский астроном Эдвин Хаббл.
Открытие других галактик
До Хаббла считалось, что вся вселенная — это галактика Млечный Путь. Все началось с того, что Хабблу удалось измерить расстояния до далеких звезд в туманности Андромеды и оказалось, что они находятся слишком далеко, чтобы быть частью Млечного Пути.
Многие не хотели принимать его всерьез, ведь он был очень молод и не имел авторитета, но его аргументы были неоспоримы, а математические выкладки точны, и научное сообщество приняло эти результаты, совершившие впоследствии переворот в космологии. В следующие годы Хаббл открыл несколько десятков галактик за пределами Млечного Пути.
Красное и синее смещение
Общеизвестно, что свет обладает свойствами как электромагнитных колебаний, так и потока частиц. Видимый нами свет зависит от длины волны световых электромагнитных колебаний. По одну сторону спектра находятся «красные» волны — длинноволновые колебания, а по другую — «сине-фиолетовые» волны — коротковолновые.
Источник