Вселенная расширяется в другом измерении?
Вселенная, в которой находимся мы с вами, представляет собой крайне сложный организм, существующий порой по совсем непонятным законам. Как случился Большой взрыв, что было до него и в первые моменты после — это еще предстоит узнать ученым. Но уже сейчас перед исследователями возникла новая проблема, заключающаяся в расширении Вселенной. Почему происходит растяжение пространства и причем тут темная энергия — попробуем разобраться.
Откуда мы знаем о расширении Вселенной?
Расширение Вселенной стало не просто теоретическом термином после наблюдения за сверхновыми звездами в конце 20 века. Особенность этих космических объектов заключается в ярких вспышках, которые быстро угасают. Ученые из США и Австралии выяснили, что эти сверхновые звезды светились в этот раз тусклее обычного. Это могло означать то, что объекты находились дальше, чем должны были.
Такое явление почти наверняка доказывает расширение Вселенной. Был даже введен специальный количественный показатель разрастания пространства — постоянная Хаббла . Проведенные измерения показали, что галактики, находящиеся от нас на расстоянии 1 млрд. световых лет, отдаляются со скоростью 24 000 км/с.
Постоянная Хаббла напрямую зависит от кривизны пространства. Таким образом можно было бы объяснять расширение Вселенной — ведь сумма углов треугольника может быть не 180 градусов. А это означает, что работает сферическая геометрия, например. Однако данное объяснение разрастания пространства противоречит экспериментам по поводу плоской Вселенной. Геометрия все-таки евклидова, по крайней мере, в видимой части космоса.
Темная энергия всему виной
Также постоянная Хаббла зависит от плотности энергии. Была проведена довольно точная оценка «обычного» вещества во Вселенной, из которого состоят планеты, звезды и прочие видимые объекты. Для измерений отлично подошла формула Эйнштейна, связывающая энергию, массу и скорость света. Получив данные, ученные порядком удивились. Оказалось, что масса «обычной» материи и темной материи — это лишь треть всего вещества, существующего во Вселенной.
Что же занимает почти 70% пространства? Учеными был придуман новый термин — темная энергия (будем для простоты иногда называть ее «таинственным нечто»). Именно это, предположительно, расширяет Вселенную, причем делает это с ускорением. Динамическая сущность темной энергии была отчасти подтверждена китайскими учеными, которые проверили измерения барионных акустических колебаний далекой Вселенной. Это флуктуации материи, которая состоит из нейтронов и протонов.
Темная энергия не видна для человека и проявляет себя только при гравитационном взаимодействии с космическими объектами. Вероятно, данное нечто равномерно распределено по Вселенной и не собирается в сгустки из галактик. Другим свойством темной энергии, как уже упоминалось, является возможность расширять Вселенную. Но за счет чего это происходит?
Темная энергия будто бы связана с антигравитацией, которая позволяет увеличивать разрастание. Это фактор принципиально отличает «таинственное нечто» от «обычной» материи, испытывающей притяжение. Темная энергия будто бы расталкивает все вокруг, тем самым, увеличивая размеры Вселенной каждую секунду.
Также темная энергия имеет постоянную плотность. Это свойство было установлено в результате эксперимента, точность данных не абсолютная, разумеется. Несмотря на увеличившееся размеры Вселенной, плотность темной энергии за последние 8 млрд. лет почти не изменилась. Это как ездить на машине с бесконечным бензином, нет ли противоречия с законом сохранения энергии?
Дело в том, что в космосе невозможно ввести понятие полной энергии. Должно же быть взято в расчет и гравитационное поле. В таком случае закон сохранения энергии применять нельзя. К слову, его нарушение кажется очевидным: на темную энергию воздействует пространство, а оно само зависит от «таинственного нечто». Очень уже похоже на барона Мюнхгаузена, который вытащил самого себя из болота.
Четвертое измерение?
Одним из объяснений темной энергии можно считать теорию струн. Согласно ей, весь мир состоит из небольших вибрирующих струноподобных объектов. За более чем 10 лет было предложено сразу несколько моделей. Конечно же, пока они все не были доказаны, к тому же их встретили мощной критикой. Теория струн также считает, что измерений пространства не 3, а больше.
Получается, что темная энергия — это гость из соседнего измерения? Шведские ученые предложили новую модель, которая несколько иначе доказывает расширение Вселенной. Исследователи считают, что весь мир находится на краю огромнейшего пузыря, который увеличивается в другом измерении. Ученые утверждают, что их модель хорошо согласуется с теорией струн. Также они считают, что таких пузырей может быть множество.
Что дальше?
К сожалению, обнаружить темную энергию привычными способами практически невозможно. Предположительная плотность вещества равна значению: 10 в степени -29 грамм/кубический см. Для сравнения лед — это 0.9. Возможно, в будущем удастся подробнее изучить гравитационное влияние темной энергии на «обычную» материю.
Неоднозначность объяснения расширения Вселенной может привести и к другому выводу. Что если темной энергии…вообще нет? Полученные свойства «таинственного нечто» базируются на Общей теории относительности. Но вдруг на таких гигантских масштабах она не работает?
В таком случае придется писать новый свод космических законов, который бы основывался на Общей теории относительности и учитывал гравитационные особенности. Одним из путей решения данной проблемы считается доказательство изменчивости постоянной всемирной тяготения, открытой Ньютоном.
Делитесь этой статьей в своих социальных сетях, а также не забывайте поставить палец вверх, подписаться на наш канал и оставить комментарий, если вам понравилась данная публикация!
Источник
Чем подтверждается расширение Вселенной?
Считается, что это подтверждается смещением спектральных линий удаленных объектов в длинноволновую область в соответствии с эффектом Доплера. (Под цифрой один)
Международная группа учёных под руководством Алексея Вихлинина из Института космических исследований РАН экспериментально подтвердила ускоренное расширение Вселенной новым независимым методом и восстановила картину её развития во времени.
Алексей Вихлинин, выступая с докладом на конференции «Астрофизика высоких энергий сегодня и завтра» , прошедшей в ИКИ РАН, рассказал, что в прошлом веке по наблюдениям далёких сверхновых звёзд было показано, что наша Вселенная расширяется с ускорением.
Для объяснения этого ускорения ввели понятие «тёмной энергии» («невидимой энергии») . Её свойства оказались весьма необычными — так, например, тёмная энергия должна обладать отрицательным давлением, чтобы «расталкивать» Вселенную.
В основе работы международной группы учёных лежало исследование распределения массивных скоплений галактик в пространстве — основных элементов крупномасштабной структуры Вселенной. (Крупномасштабную структуру можно представить как скопления галактик, соединённые филаментами.
Скопление галактик Abel85, расположенное на расстоянии примерно 740 млн световых лет от Земли, зарегистрировано рентгеновской обсерваторией Чандра. Пурпурное свечение — это газ, разогретый до нескольких миллионов градусов.
Иллюстрация к модели роста космических структур Вселенной. Изображены три возраста Вселенной: 0,9 млрд, 3,2 млрд и 13,7 млрд лет (нынешнее состояние) .
Экспериментально обнаружено и подробно исследовано 86 наиболее массивных скоплений галактик во Вселенной, находящихся на расстоянии от нескольких сотен миллионов до нескольких миллиардов световых лет от Млечного Пути.
На основе полученных результатов астрофизики восстановили картину развития Вселенной начиная примерно с 2/3 её возраста до настоящего времени, то есть в течение последних 5,5 миллиарда лет (что примерно соответствует возрасту Солнца) . Результаты этого исследования показали, что рост крупномасштабной структуры в течение этого времени существенно замедлился.
Сила, с которой тёмная энергия «расталкивает» вещество, описывается параметром уравнения состояния тёмной энергии, имеющим физический смысл, сходный с жёсткостью пружины.
Астрофизики считают, что изучение природы тёмной энергии позволит создать новую теорию вакуума, которая, возможно, будет распространена на другие физические явления. Не исключено, что в рамках новой теории окажется, что наше пространство имеет не четыре, а пять измерений.
Источник
Спросите Итана: откуда нам известно, что расширяется именно пространство?
Существует большой набор научных доказательств, поддерживающих картину расширения Вселенной и Большой взрыв. А вот вопрос конечности или бесконечности Вселенной пока не решён
Если вы посмотрите на любые окружающие вас объекты Вселенной, и увидите, что все они будут двигаться в сторону от вас, что вы решите? Может, что у вас есть отталкивающая сила? Или что ткань пространства расширяется? Что вы находитесь в центре произошедшего когда-то взрыва и всё разлетается в стороны от его центра? Все эти и некоторые другие варианты могут казаться разумными, но учёные почему-то всё время говорят о «расширяющейся Вселенной», будто бы другие альтернативы не годятся. Почему? Наш читатель спрашивает об этом:
Откуда нам известно, что расширяется пространство? По отношению к чему? Красное смещение разлетающихся галактик могло бы быть и в бесконечном пространстве, а не обязательно в расширяющемся.
Ответ на этот вопрос вытекает непосредственно из наблюдений за Вселенной.
Пространство-время вблизи нашего местоположения искривлено из-за гравитационного воздействия Солнца и других масс
Один из самых невероятных фактов, связанных с Эйнштейновской Общей теорией относительности – лидирующей теорией гравитации – заключается в том, что она связывает пространство-время и материю с энергией. Материя и энергия сообщают пространству-времени, как нужно искривиться; пространство-время говорит материи, как двигаться. Если мы узнаем, как распределена вся материя и энергия во Вселенной в какой-то момент времени, и узнаем, как они движутся, мы сможем воссоздать кривизну пространства-времени и его эволюцию в течение жизни Вселенной.
Двумерный срез регионов повышенной (красный) и пониженной (синий/чёрный) плотности в нашем участке Вселенной. Линии и стрелочки показывают направление пекулярных скоростей, но всё это также вписывается в ткань расширяющегося пространства
Наблюдая за галактиками Вселенной, мы видим, что на самые близкие к нам галактики больше всего влияет гравитационная динамика других соседних галактик. Млечный путь и Андромеда направляются навстречу друг другу, другие галактики местной группы в итоге также сольются с нами. Остальные галактики притягиваются в другим близлежащим массам – крупным галактикам, галактическим группам и скоплениям. В любом относительно небольшом участке пространства, размером от нескольких миллионов до десятков миллионов световых лет, массы этого пространства определяют, как именно будут двигаться галактики.
Ультрадальний снимок Вселенной показывает, как галактики движутся в направлении от нас с экстремально большими скоростями. На таких расстояниях галактик больше, они выглядят меньше по размеру и менее развитыми, и удаляются от нас с большим красным смещением по сравнению с соседними с нами
На крупных масштабах всё происходит не так. Мелкомасштабные движения, известные, как пекулярные скорости, могут достигать нескольких тысяч километров в секунду. Но они накладываются на более сильный эффект, который можно увидеть только на более крупных масштабах: чем дальше от нас галактика, тем быстрее она от нас отдаляется.
Красное смещение вызывается не просто удалением галактик от нас, а тем, что пространство между нами и галактиками смещает свет в красную часть спектра, пока он перемещается к нам от отдалённой точки пространства.
Это эмпирическое наблюдение известно, как закон Хаббла, и постулирует, что наблюдаемая скорость убегания от нас галактики пропорциональна расстоянию от неё до нас. Константа пропорциональности известна как постоянная Хаббла, и её довольно точно измерили, получив значение порядка 70 (км/с)/Мпк [66,93 ± 0,62 (км/с)/Мпк – данные 2016 года / прим. перев.] с погрешностью в 3-4 (км/с)/Мпк – зависит от того, как измерять.
Зависимость красного смещения от расстояния до далёких галактик. У не попадающих на линию точек разница в скорости объясняется пекулярными скоростями, но они отвечают лишь за небольшое отклонение от общего расширения. Первичные данные, изучавшиеся Эдвином Хабблом, и впервые использовавшиеся для демонстрации расширения Вселенной, уместились в красный прямоугольник слева внизу.
Но отчего так происходит? Почему всё убегает друг от друга, если не имеет гравитационной связи? Вернёмся к основам ОТО, к тому самому откровению, которое испытал Эйнштейн перед публикацией своей наиболее мощной идеи.
Выдвинув свою ОТО, Эйнштейн быстро понял, что у неё имеется последствие, которое ему не нравится: Вселенная, повсеместно наполненная материей, была бы нестабильна и подвержена гравитационному коллапсу. Эйнштейн решил этот поправить, введя невидимую расталкивающую силу, предотвращавшую коллапс, космологическую константу. Другие поняли, что, если не учитывать эту константу, можно получить Вселенную, не статичную во времени – в ней сама ткань пространства будет расширяться или сжиматься.
Аналогия расширения Вселенной на примере шарика с монетками. Отдельные структуры (монетки) не расширяются, но расстояния между ними увеличиваются.
Исправление Эйнштейна не работала. Космологическая константа приводила к нестабильной Вселенной: участки с повышенной плотностью должны были схлопнуться, а с пониженной – разбежаться. Во Вселенной, работающей по законам ОТО, не могло быть статичного пространства-времени, пока она заполнена материей. Наша Вселенная выглядит для нас гомогенной и изотропной. Важность двух этих свойств заключается в следующем:
- Гомогенность означает, что Вселенная повсюду одинаковая.
- Изотропность означает, что Вселенная одинакова по всем направлениям.
В комплексе они говорят о том, что Вселенной присуще равномерное распределение материи и энергии, во всех местах и направлениях. А раз так, и удалённые галактики убегают от нас тем быстрее, чем дальше находятся, у нас остаётся очень мало вариантов объяснения происходящего.
Вселенная, подчиняющаяся законам относительности, и изотропно и гомогенно заполненная материей и излучением, не может быть статичной. Она должна расширяться или сжиматься, в зависимости от содержимого и его количества.
Эта ситуация могла развиться благодаря разным факторам, среди которых:
- «Усталость» света, идущего от удалённых галактик, и потеря им энергии во время движения через пространство.
- Быстрое движение, в результате которого самые быстрые из движущихся галактик оказались со временем самыми отдалёнными.
- Первоначальный взрыв, расталкивающий галактики дальше от нас.
- Расширение пространства-времени.
Но лишь последний вариант подтверждается полным набором данных, поддерживающих как ОТО, так и астрофизическое распределение и свойства всех наблюдаемых галактик.
Разница между объяснением красного смещения только через движение галактик (пунктир) и предсказаниями ОТО (сплошная) для расстояний в расширяющейся Вселенной. С нашими наблюдениями однозначно совпадают лишь предсказания ОТО.
Довольно быстро стало понятно – ещё в 1930-х – что тут двух вариантов быть не может: Вселенная в самом деле расширяется. Это помог подтвердить тот факт, что красное смещение объекта очень хорошо совпадало с расчётным, полученным через расстояние, и с наблюдаемой скоростью расширения, вне зависимости от расстояния до объекта.
Но тому есть ещё больше доказательств. Если бы Вселенная расширялась, можно было бы ожидать наблюдения ещё нескольких явлений. Мы бы увидели, что чем дальше заглядываем в удалённое прошлое, тем плотнее становится материя Вселенной. Мы бы увидели, что скопления галактик оказываются плотнее, чем сегодня. Мы бы увидели, что спектр света от объектов со свойствами абсолютно чёрного тела таким бы и оставался, и не испытывал сдвига в энергии. А ещё мы бы увидели, что температура реликтового излучения раньше была выше, чем сегодняшние 2,7 К.
Исследование от 2011 года (красные точки) даёт наилучшие на сегодня доказательства того, что температура реликтового излучения в прошлом была выше. Спектральные и температурные свойства пришедшего издалека света подтверждают тот факт, что мы живём в расширяющемся пространстве.
Все эти свидетельства совместно учат нас тому, что Вселенная расширяется, и именно в этом причина красного смещения. Это не движение, не уставший свет, не результат взрыва. Само пространство расширяется, и та часть Вселенной, что мы можем видеть и изучать, со временем становится всё больше и больше. И хотя прошло всего 13,8 млрд лет с момента Большого взрыва, самые удалённые объекты, от которых до нас дошёл свет, сейчас удалены от нас уже на 46 млрд световых лет.
Наблюдаемая часть Вселенной простирается на 46 млрд световых лет во всех направлениях с нашей точки зрения, но за этими пределами определённо существует гораздо больше пространства, точно такое же, как наше,- возможно, даже бесконечное количество.
А что находится за этими пределами? Мы почти уверены, что там есть ещё больше «Вселенной», но свету оттуда просто не хватило времени, чтобы дойти до нас. Ненаблюдаемая Вселенная, расположенная за пределами наблюдаемой, может быть конечной или бесконечной; нам это просто неизвестно. Но даже если она уже бесконечная, она всё равно может расширяться! С расширением Вселенной мы просто умножаем её размер на множитель роста, поэтому если она изначально была конечной, она останется конечной (просто больше по размеру), а если она была бесконечной, она останется бесконечной. Мы уверены, что Вселенная меняется, расширяется и растягивается – и все эти эффекты непротиворечивы и неоспоримы. Но что находится за пределами наблюдаемой Вселенной? Мы работаем над тем, чтобы это выяснить. Как обычно, в науке есть ещё много того, что нужно сделать!
Источник