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
10 величайших астрономических открытий всех времен
Тысячи лет назад человек впервые взглянул в небо и, честно говоря, не понял ничего. Возможно, он увидел там бога. Возможно, комету. Пусть разбираются историки. Прошли тысячи лет, и человек снова взглянул в небо — уже с помощью, например, космического телескопа Хаббла. Он увидел там мириады звезд, квинтиллионы планет, гигантские расстояния и… ничего (темную материю, то есть). Мы быстро учимся. Космический телескоп Джеймса Вебба будет в 100 раз мощнее Хаббла и покажет еще больше. Но что-то мы открыли и без него.
Небо меняется, планеты движутся
Со временем некоторые умные люди подметили, что звезды движутся по небу предсказуемым образом. Они проходили по тому же пути, что и Солнце, и движутся на фоне других звезд. Теперь мы знаем, что это планеты (от греческого слова, означающего «странники»). Во многих культурах эти планеты получили имена богов. Меркурий, Венера, Марс, Сатурн и Юпитер, Нептун, Уран названы в честь высших существ, почитаемых в древности.
Земля и Солнце не являются центром Вселенной
Простое решение было предложение Николаем Коперником в 1500-х годах, когда он поставил Солнце в центр Вселенной, а Землю пустил вращаться вокруг него, подобно другим планетам. (В третьем веке это также предлагал Аристарх Самосский из Греции, но его труды не были хорошо известны в западном мире на тот момент). Такая расстановка решала проблему эпицикла и подкреплялась другими свидетельствами. К примеру, открытие Галилеем спутников Юпитера в 1610 году показало, что не все вращается вокруг Земли. Религиозные власти были недовольны, но со временем все встало на свои места.
По мере развития телескопических технологий, мы узнали также, что и Солнце не является центром Вселенной. В 1750-х годах считалось, что Млечный Путь — это большая коллекция звезд со своим собственным центром. К началу 1900-х наблюдения новых звезд в других галактиках показали, что они были дальше, чем Млечный Путь. Наконец, астроном Эдвин Хаббл обнаружил доказательства того, что Вселенная расширяется равномерно во всех направлениях, не имея истинного центра.
Все зависит от гравитации
В начале 1900-х наше понимание гравитации изменилось вместе с наблюдениями физиков вроде Альберта Эйнштейна, который выяснил, что время может меняться в зависимости от системы координат. Если вы путешествуете на скорости, близкой к световой, ваше чувство времени замедляется по сравнению с чувством живущих на Земле. Время стали считать четвертым измерением (после ширины, высоты и длины), и это привело к лучшему пониманию невероятных гравитационных условий вокруг черных дыр и других массивных гравитационных объектов. Гравитация объекта стала следствием «искривления» пространства-времени.
В начале 2016 года гравитационные волны были обнаружены обсерваторией LIGO. Это рябь в пространстве-времени, вызванная взаимным вращением массивных объектов вроде черных дыр. Эйнштейн предсказал их существование, и астрономы искали их более 50 лет.
За Сатурном есть планеты
За этим открытием стремительно последовали другие: Церера (тогда ее назвали астероидом, а не карликовой планетой) была обнаружена в 1801 году. Нептун в 1846, а Плутон (сначала ставший планетой) в 1930 году. Солнечная система оказалась куда более большим местом, чем думали раньше. Со временем модели позволили предположить, что кометы обитают за пределами орбиты Нептуна среди других ледяных объектов — в поясе Койпера. В начале 2000-х несколько новых объектов размером с Плутон были обнаружены в поясе Койпера, что позволило Международном астрономическому союзу создать новую категорию объектов — «карликовые планеты» — и поместить Плутон и Цереру в эту категорию.
Не менее поразительным стало открытие планет за пределами нашей Солнечной системы. Сначала астрономы нашли три планеты возле пульсара PSR B1257+12 в 1992 году, потом крупную экзопланету возле звезды главной последовательности 51 Пегаса в 1995 году. Сегодня мы знаем о существовании более 1000 планет за пределами Солнечной системы, и еще тысячи ожидают своего часа. Большую их часть обнаружил космический телескоп NASA Кеплер, запущенный в 2009 году.
Существует космический предел скорости
Хотя все мы мечтаем о варп-двигателе из «Звездного пути», который позволил бы нам в мгновение ока покрывать огромные расстояния, нас стесняют ограничения физики. Другим открытием Эйнштейна было уравнение E = mc 2 , определяющее эквивалентность массы и энергии. Когда вы летаете на скорости, близкой к скорости света, необходимая вам энергия увеличивает вашу массу. В точке непосредственно перед нарушением светового предела масса становится бесконечной. Двигаться быстрее просто невозможно.
Однако теоретическая физика предлагает хитроумные короткие ходы. Возможно, во Вселенной имеются червоточины, через которые вы сможете путешествовать легко и непринужденно, пересекая огромные расстояния в минуты. Возможно, существуют способы хотя бы коммуникации со скоростью света, поскольку квантово-запутанные частицы могут сообщаться мгновенно, вне зависимости от разделяющего их расстояния. Но насколько нам известно сейчас, скорость света равна максимально возможной скорости путешествия.
Мы видим эхо Большого Взрыва
Мы можем наблюдать останки этого огромного взрыва, благодаря случайному открытию в 1965 году. В то время как существование фонового излучения впервые предположил Ральф Альфер в 1948 году, двое ученых из Bell Telephone Laboratories обнаружили его лишь десятки лет спустя, когда столкнулись с помехами на новом радиоприемнике. Арно Пензиас и Роберт Вильсон нашли излучение вместе с другой командой, что вылилось в две работы (по одной от каждой группы), опубликованные в Astrophysical Journal в 1965 году.
Астрономы теперь знают о существовании крошечных температурных колебаний (анизотропии) в космическом микроволновом фоне (CMB), которые выявляют незначительные колебания плотности в ранней Вселенной. Эти незначительные флуктуации могут быть обнаружены с помощью очень чувствительных приборов вроде WMAP и европейского космического телескопа Планка. Считается, что эти вариации могут раскрыть многое о формировании ранней Вселенной, крупномасштабной структуры Вселенной и природе самых первых галактик.
Вселенная расширяется (и все быстрее)
Открытие было весьма громким, но еще больше астрономы удивились в конце 90-х годов прошлого века, когда обнаружили, что расширение ускоряется. Астрономы, измеряющие сверхновые в далеких галактиках, обнаружили, что эти сверхновые были менее яркими, чем предсказывали по их красному смещению (что указывает на то, что они удаляются от нас). Это открытие в конечном итоге принесло ученым Нобелевскую премию.
Мы не сможем увидеть большую часть материи во Вселенной
Есть также несколько теорий относительно того, чем может быть эта темная энергия. Она может быть свойством самого пространства-времени. По мере расширения пространства рождается больше темной энергии, которая еще дальше толкает расширение. Другое возможное объяснение связано с квантовой теорией вещества, в рамках которой допускается возникновение и исчезновение частиц, рождающих энергию.
Темная энергия, как полагают, составляет 68% массы известной Вселенной, а темная материя — 27%. Ученые не уверены относительно природы темной материи, но знают о ее существовании по гравитационному воздействию. Мы видим, как она искривляет свет за счет гравитационного линзирования. Остальная часть Вселенной, менее 5%, состоит из привычной энергии и материи, которые мы можем видеть с телескопами.
На других мирах есть вода и лед
Европа, спутник Юпитера, и Энцелад, спутник Сатурна, считаются наиболее перспективными для жизни за пределами Земли, по крайней мере в Солнечной системе. Кроме того, вода может существовать в жидкой форме внутри этих лун. На Титане, спутнике Сатурна, много углеводородов, а под поверхностью может скрываться жидкий океан.
Более продвинутые наблюдения в 90-х годах и далее нашли водяной лед в самых неожиданных местах. Оказалось, водяной лед может быть на безвоздушной Луне и даже на Меркурии — ближайшей к Солнце планете — если лежит в постоянно закрытых от Солнца кратерах или под защитным слоем пыли. Полярные шапки, состоящие частично из льда, имеются на Марсе. Лед есть на кометах и на небольших мирах вроде карликовой планеты Церера.
Впереди нас ждет много интересного
Европейский Чрезвычайно Большой Телескоп, который будет завершен в 2024 году, если все пойдет по плану, будет изучать тайны Вселенной с Земли. По плану, он будет искать экзопланеты, вглядываться в первые дни существования Вселенной, сверхмассивные черные дыры и загадочную темную материю. Телескопы нового поколения также поищут планеты, похожие на Землю, в других солнечных системах, изучат их атмосферы, орбиты и происхождение.
Недавнее открытие гравитационных волн, ключевого компонента общей теории относительности Эйнштейна, открыло путь новому типу астрономии — гравитационно-волновой астрономии. Независимая от электромагнитного спектра, гравитационно-волновая астрономия измерит рябь пространства-времени и покажет массивные объекты, которые оставались бы невидимыми для оптических телескопов.
Источник