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
Энергодиспетчер
Оперативная работа в электроэнергетике
Почему расширяется Вселенная?
Опубликовано: admin-zeleniy 30 ноября 2012
Просмотров: 10 095
Как Вселенная может расширяться, если она бесконечна?
Заблуждения атеистов
Однажды, в бытность мою атеистом, один человек из верующих задал мне этот вопрос, пытаясь загнать меня в логическое противоречие. Ведь если нечто всеобъемлюще и бесконечно, то есть не имеет никаких измеримых размеров, то почему физики безапелляционно утверждают, что Вселенная расширяется? Я затратил много сил и времени, пытаясь доступно прояснить этот момент. Позже я неоднократно сталкивался с тем, что даже многие атеисты или материалисты заучили фразу бесконечная Вселенная расширяется, и приняли ее на веру, без должного понимания логики этого выражения.
Дальше по тексту я буду использовать упрощающие абстракции и пояснения, а потому люди, разбирающиеся в проблеме на уровне намного выше среднего, простите меня за вольность при изложении.
Нужно понимать, что мы живем в четырехмерном мире (по крайней мере, именно такой мир доступен нам в ощущениях, а не в математических абстракциях или мистических откровениях). Но сама Вселенная не является объектом четырехмерного мира (именно потому для нее не существует в нашем понимании таких параметров как размер, форма, цвет, запах и даже скорее всего масса).
Наша Вселенная является объектом более высоких порядков, но у нас нет достоверной возможности взглянуть на нее со стороны. А потому, чтобы не описывать Вам структуру Вселенной используя зубодробительные уравнения, шагнем назад в цепи измерений и вообразим себе доступную нам в ощущениях Вселенную как трехмерный шар, находящийся в каком-то более многомерном пространстве. А мы, жители Вселенной, станет из трехмерных объектов скользящих по четвертому измерении — времени, двумерными (плоскими) объектами, скользящими по третьему измерению — времени. Мы теперь как будто квадратики, нарисованные на этом шаре, естественный узор.
Давайте осмотримся и попытаемся понять мир, который нам достался. Важно помнить, что мы двумерные (плоские) объекты и понятие высоты, глубины и т.д. нам не доступно, а значит, Вселенная для нас ограничена лишь поверхностью шара. Мы обречены, скользить лишь по поверхности и даже не можем себе представить, что у шара есть центр. Точней теоретически мы можем это подозревать, но сформулировать это кроме как на языке математических абстракций, большинство из нас не в состоянии.
Можно ли сказать, что у нашей «маленькой» Вселенной есть конец? Путешествуя по поверхности шара мы никогда не найдем физической границы поверхности шара. Возьмите ручку и ведите линию из любой точки до конца шара. Ваша линия будет продолжаться до тех пор, пока хватит чернил, Вы сможете пройти «маленькую» Вселенную и вернуться в точку, из которой Вы начали свое движение, но так и не встретите конца, рубежа. Именно так бесконечна и наша, доступная в ощущениях, Вселенная. Конечно, надо понимать, что наша Вселенная имеет не форму шара. Скорее всего, наша Вселенная имеет «форму» чего-то вроде бутылки Клейна .
Но это сейчас не важно. Сев в комический корабль Вы можете начать движение, и с какой скоростью бы вы не двигались, максимум, на что Вы способны это вернуться обратно в ту же точку, из которой начали свое движение. Кстати, это произойдет только в том случае если вы будете двигаться строго по прямой линии. Вполне возможно, что, глядя на узор из звезд и галактик в ночном небе, мы видим самих себя, «спину» своей галактики миллиарды лет назад. Однако пока нам не хватает компьютерных мощностей, даже для примерных расчетов, как выглядела наша галактика миллиарды лет назад, а потому мы не можем ничего утверждать наверняка. В современной космогонии господствует предположение, что размер Вселенной до начала повторения примерно 25 миллиардов световых лет (хотя из-за особенностей физических законов нам доступно для наблюдения всего 15 миллиардов световых лет из размеров вселенной).
Вернемся к нашему шару и чернильным квадратам на нем. Итак, а почему физики вообще решили, что Вселенная расширяется? Ведь это было сделано до создания мощнейшего математического аппарата, позволяющего описывать наш мир в абстракциях многомерных пространств. Дело в том, что астрономы измерили расстояния до некоторых доступных объектов и выяснили странную вещь. Все наблюдаемые объекты улетают от нас с ошеломляющими скоростями. Они как осколки гранаты, разлетающиеся после взрыва. Тут пытливый читатель, может заметить – Ха, у любого взрыва есть центр, а значит, изучая траекторию разлета осколков можно его найти, так? Классная была идея, но оказалось что у этого «взрыва» центра нет. Точнее вначале кажется, что этим центром является наша галактика, потом что планета Земля, потом по мере уточнения оказывается, что центром является именно та обсерватория, которая проводит измерения. Если бы нам было доступно утонение большей степени, то мы бы выяснили, что центром является фокусирующая линза телескопа астронома проводящего измерения. Что за бред, спросите вы? Как это центр разлета в любом месте? Так же не бывает.
Бывает, если помнить про нашу «маленькую» Вселенную на шаре. Представим себе, что мы микроскопический квадратик, нарисованный на поверхности этого шара. Начнем надувать наш шар. Поверхность шара, доступная для наблюдения и путешествия квадратикам на шаре, начнет возрастать. Вселенная квадратиков начнет увеличиваться, за счет расширения. Если на шаре будут нарисованы два квадратика, то жители одного квадратика заметят, что второй квадратик стремительно удаляется от них. Если квадратиков будут миллионы, то все они будут стремительно удаляться от первого квадратика, если смотреть из первого квадратика. Однако попытка определить центр расширения провалится, потому что мы то теперь знаем, что это не второй квадратик улетает от первого. Это растут размеры расстояния между квадратиками, как растут и размеры самих квадратиков. Просто квадратики маленькие, а расстояния между ними чудовищные, и потому квадратики не замечают расширения самих себя, но могут зафиксировать странное поведение других квадратиков. Так и наша реальная Вселенная расширяется не раздвиганием своих границ, а увеличением всего и вся внутри себя. Увеличивается расстояние не только между галактиками, не только между звездными системами, не только между планетами. Увеличивается даже не только расстояние между молекулами, не только между атомами в молекулах, не только между электронами и протонами в атомах, и даже не только между кварками в протонах. Растягивается сама ткань Бытия. Квантовая пена разбухает, как тесто, расширяя нашу Вселенную. Да, да – прямо сейчас, пока вы читаете этот текст атомы вашего тела, с чудовищными (по сравнению с размерами электронов) скоростями разлетаются друг от друга. Именно так расширяется бесконечная Вселенная. Вся целиком.
Автор Антон Швец :
Надеюсь текст был понятным и поучительным. Любите мир вокруг Вас и изучайте его.
Огромная благодарность Ричарду Докинзу в книге у которого я впервые встретил этот простой пример, помогающий пояснить сложные вещи.
Источник