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
Как расширяется вселенная разбегается
В 1929 году астроном Хаббл обнаружил, что чем дальше от нас находятся космические объекты, тем больше красное смещение. В соответствии с этим фактом он сделал ложное открытие, что наша Вселенная расширяется. Вселенная – это та часть пространства, которое мы можем увидеть, почувствовать, получить от него сигнал.
Но теория расширяющейся вселенной противоречит закону о ее однородности. Ведь если в одном месте вселенной возникает вакуум, туда немедленно устремляется вещество из других областей и заполняет его. Как в область пониженного давления. Но это, конечно, слабый аргумент. Неоднородности обязательно присутствуют. Правда не в таких количествах. Кроме того, почему нет других расширяющихся вселенных?
Поэтому в соответствии с утверждением Хаббла о разбегающейся Вселенной начали строить объяснение существованием темной материи. А также о том, что само вещество может появляться ниоткуда, из пустоты. Все для того, чтобы его плотность сохранялась во Вселенной. Иначе однородности приходит конец. Разберемся, почему утверждение о расширении Вселенной ложно.
Измерение скорости по доплеровскому смещению
Если мы измеряем относительное движение тел, то в отсутствии сильной гравитации скорость сближения и расхождения пропорциональна доплеровскому смещению. На этом эффекте работают радары измерения скорости.
Что же происходит со светом при воздействии на него сильного гравитационного поля? По учению Эйнштейна свет отклоняется при прохождении мимо массивных объектов.
Свет, пройдя мимо солнца изгибается. мы видим звезду совсем не там, где она расположена на самом деле.
Что же будет со светом, если он выходит из массивного тела? Когда сила тяжести направлена противоположно направлению излучения. Да то же самое. Гравитация воздействует на свет и забирает часть его энергии. А энергия фотона пропорциональна его частоте.
ν – частота фотона.
При уменьшении энергии происходит доплеровский сдвиг ее частоты. Он направлен в красную и инфракрасную область, т.е. происходит снижение частоты (увеличение длины) волны. Потому что чем больше энергии у фотона заберет гравитация, тем меньше станет его частота. Таким образом, чем больше звезда, тем больше сдвиг.
Таким образом, сдвиг спектра в красную сторону происходит и в случае удаления, и за счет гравитации. Но от притяжения сдвиг есть всегда, а от удаления в 50%. Да и то максимум смещения будет, если вектор скорости направлен от нас по прямой.
Почему красное смещение больше с увеличением расстояния?
Какое излучение доходит до нас от удаленных объектов Вселенной? Конечно же от больших звезд и чем дальше они расположены, тем массивнее они должны быть, чтобы мы зарегистрировали его. От малых тел на таких расстояниях ничего не доходит. Особенно если они путешествовали несколько миллиардов световых лет. Потому и смещение большое. Причем оно может изменяться по мере путешествия фотонов. Если они пролетают мимо других массивных тел.
Можно ли реально измерить скорость разбегания галактик во вселенной, напичканной огромными скоплениями материи?
Для этого нужно исключить влияние гравитации. Как сделать, я не знаю. Она присутствует везде. Есть предположение, что никак. Наоборот, можно сделать предположение о массе источника излучения по данному сдвигу, но при этом считать, что ничто никуда не разбегается. Я не удивлюсь, что если влияние тяготения будут учитывать, окажется, что никакого разбегания Вселенной нет вообще. Вселенная однородна.
Нелинейная зависимость красного смещения
Сила гравитации F воздействует на энергию фотона нелинейно. Т.е. на удаляющийся фотон действует сила K*M/R² (R – расстояние, M – масса звезды). Энергия E, забранная у фотона, будет зависеть от расстояния, причем дифференциал энергии равен силе, умноженной на дифференциал расстояния dE=F*dR. Берем определенный интеграл от радиуса звезды r до расстояния до нее D
Подставляем граничные значения и получаем зависимость E=K2(1/D-1/r). Т.е. красное смещение из-за гравитации зависит от расстояния до объекта. Зависимость нелинейная. Но в пределе стремится к K2/r при D=∞. Т.е. на далеких расстояниях зависит в основном от радиуса и массы звезды.
Расстояние до звезд измеряют по яркости взрыва сверхновой звезды. Потому что яркость у них одинаковая, масса тоже. Но радиус разный в разные моменты от взрыва. И красное смещение от гравитации тоже разное. Только в самый момент взрыва радиус известен. Далее оболочка звезды взрывается и быстро расширяется. А ядро уплотняется.
Да еще есть и размытие смещения из-за взрыва, потому что части светящейся оболочки движутся в разных направлениях с большой скоростью. Очень сомнительно, что можно определить какую-то точную зависимость красного смещения от гравитации. Оно все время должно быть разным. Нам же сообщают о каких-то точных измерениях. Да еще и сравнивают измерения с другими сверхновыми. Значит, красное смещение от гравитации не учитывают.
Кстати, яркость объекта зависит от и от спектрального состава, т.е. от того же красного смещения. Поэтому при таких измерениях никакой линейности нет. Возможно поэтому из-за ошибки измерения получилось расширение вселенной с ускорением.
Почему физики поддерживают теорию, что вселенная расширяется?
Возникает справедливый вопрос. Зачем столько умных людей поддерживают бредовую идею с расширением вселенной?
Куда девать работающих над проблемой расширения Вселенной?
Во-первых, куда деваться ученым, с их работами, диссертациями, высокими должностями? Зачем они нужны, зачем им платить?
Ну допустим, что Вселенная однородна и не разлетается. Очень просто, обыденно, даже и поговорить не о чем. Никаких сенсаций и мифов о загадочной темной материи. С одной стороны расширение вселенной объясняют существованием темной материи. Мол из-за темной материи галактики отталкиваются. Но с другой стороны ею же объясняют и дополнительное притяжение в спиральных галактиках. Непонятная логика. Так отталкивает или притягивает? За что платить физикам?
А куда девать все их работы и псевдо открытия? Это же все коту под хвост. На объяснение несуществующего расширения работали целые институты. Их всех уволить, работы выбросить, званий лишить? На это никто в ближайшее время не пойдет.
Что такое вещество?
Физики уже завершили открытие практически всех элементарных частиц. И что дальше? Над чем им работать?
Хотя на самом деле там не паханное поле. Например, мы до сих пор не знаем, что такое электрон. Как он выглядит, его строение. Да вообще, что это такое? Знаем только некоторые его свойства. Второй парадокс. Эйнштейн как бы доказал, что масса и есть энергия в своей формуле
Но фотон, имеющий энергию, не имеет массы. Получается, что-то не так в формуле. Некоторые даже находят массу покоя у фотона, используя эту формулу. А другие пишут, что формула не действует для тел с нулевой массой. Но почему? Может потому что мы не знаем, что такое фотон?
Не знаем, как устроен атом. Если не считать примитивную и не выдерживающую никакой критики модель Резерфорда с его вращающимися электронами вокруг ядра. Но по какой-то неизвестной причине не излучающими электромагнитные волны. И зачем-то движущиеся по определенным орбитам на определенных уровнях. Но, похоже, что мы еще долго не узнаем о настоящем строении вещества, потому что тема очень сложная. Слава богу что с моделью Резерфорда уже покончено в современной физике.
И тут появляется глобальная идея про Вселенную, которая переворачивает наши представления о мире с ног на голову. Одни парадоксы. Мало того, что Вселенная расширяется, причем с ускорением. И тут уже каждый фантазирует, как хочет. Физики опять востребованы. Деньги текут рекой на исследования и статьи. Появляются новые идеи про темную материю, про возникновение вещества из пустоты и разную чертовщину. Жизнь, кажется, налаживается. Получается, что с точки зрения финансов и занятости это очень полезная идея.
Вопросы без ответа
Лучше бы товарищи ученые занялись ответом на вопросы:
- Насколько справедлив закон Ньютона всемирного тяготения для больших масс и сил и больших расстояний? Возможно его нужно модифицировать, как в теории относительности.
- Откуда взялось вещество или энергия во Вселенной?
- Почему такая концентрация вещества или энергии во Вселенной?
- Из-за чего общий заряд Вселенной равен 0?
- Почему именно такой баланс микрочастиц (электронов, протонов, нейтрино, кварков и др.), почему не сдвигается?
- Как любые частицы переходят друг в друга, например, излучение в элементарную частицу и наоборот?
Выводы
Если наша вселенная и расширяется, то не с такой скоростью и не с таким ускорением, как это интерпретировали по красному смещению. А значительно меньшими значениями.
Источник