Минимальный размер Вселенной
Наблюдаемая Вселенная
Говоря о нашей Вселенной, мы различаем «Вселенную» и «наблюдаемую Вселенную». Последнее включает лишь то, что мы можем видеть. Я не имею в виду, что у нас есть технология, чтобы реально «видеть» всю наблюдаемую вселенную. Я имею в виду под «наблюдаемыми» все объекты, свет от которых в принципе мог дойти до нас, учитывая время жизни Вселенной, скорость света и историю и будущее расширения Вселенной. Возраст Вселенной составляет 13,8 миллиардов лет. Из-за конечности скорости света мы не можем видеть то, что расположено от нас настолько далеко, что свету на путешествие до нас потребовалось бы больше времени, чем существует Вселенная. Это не технологическое ограничение – это ограничение того, существует ли в принципе тот свет, который мы могли бы увидеть, будь у нас в распоряжении любая технология.
Когда мы смотрим на окраины наблюдаемой Вселенной, мы смотрим в прошлое. Если свету потребовалось 13,7 миллиарда лет, чтобы дойти до нас, значит, мы видим Вселенную такой, какой она была 13,7 миллиарда лет назад, а не такой, какая она сейчас.
В целом Вселенная, возможно, бесконечна. Заявить это просто, но эту концепцию очень сложно представить, если подумать. Одним из решений этой проблемы можно назвать предложение не заморачиваться этим. Если вы задаёте себе вопросы типа «как она может расширяться, если она бесконечна», вы неправильно представляете себе бесконечность. Бесконечность – это концепция, а не число.
Однако Вселенной не обязательно быть бесконечной. Согласно ОТО, существуют и другие возможности. Я разделю их на две категории, но поговорим мы подробно только об одной из них.
Интересные топологии
Возможно, что у Вселенной интересная топология. Топология отличается от геометрии. Геометрия включает такие вещи, как длину линий, радиус кривизны, суммы углов полигонов и т.п. Топология занимается тем, как соединены между собой разные части пространства.
Рассмотрим, в качестве примера, классическую игру Asteroids:
Игра идёт в очень маленькой двумерной вселенной. Геометрия вселенной Asteroids евклидова – параллельные линии не пересекаются, отношение длины окружности к диаметру равно π, сумма трёх внутренних углов треугольника равна 180° и так далее. Но если вы играли в эту игру, вы знаете, что если уйти за левый край экрана, то вернёшься с правого края. Если уйти с верхнего края, то вернёшься с нижнего. Вселенная не имеет границ, вы никогда не упрётесь в границу, или край. Но она конечна. Её топология тороидальная – такая же, как у поверхности бублика, хотя геометрия её отличается от геометрии бублика (поверхность бублика искривлена).
Возможно, что наша Вселенная ведёт себя так же. У неё может быть плоская геометрия, но такая топология, что если вы двигаетесь в одном направлении, вы вернётесь туда, откуда пришли. Если у неё действительно такая топология, то она проявляется на масштабах крупнее наблюдаемой Вселенной. Иначе мы бы увидели подтверждение такой топологии (например, части космоса повторяли бы друг друга, если долго идти в одном направлении) в микроволновом космическом излучении.
Так что пока мы примем, что у Вселенной нет никаких интересных топологий. Либо это бесконечное пространство, либо это конечное пространство, представляющее собой трёхмерный эквивалент поверхности сферы.
Возможные геометрии Вселенной
Геометрия Вселенной не обязана быть евклидовой. В зависимости от общей плотности энергии (включая плотность обычной материи, тёмной материи и тёмной энергии), для кривизны Вселенной существуют три возможности.
Параметр Ω – удобный способ обсуждения плотности Вселенной. Существует критическая плотность, зависящая от текущей скорости расширения Вселенной. Она составляет 9*10 -30 гр/см. Вроде бы немного, но учтите, что Вселенная практически пустая. Земля – сравнительно плотное место по сравнению с большей частью Вселенной. Параметр Ω определяется, как отношение плотности Вселенной к критической. Если Ω = 1, то геометрия Вселенной плоская. Плоская – не значит двумерная, в том смысле, в котором вы привыкли говорить о плоскости. Это значит, что геометрия пространства евклидова, как та, что вы изучали в школе.
Если Ω>1, геометрия Вселенной закрытая. В этом случае геометрия у Вселенной будет такой же, как у трёхмерной поверхности четырёхмерной гиперсферы. Если это звучит непонятно, представьте себе это как трёхмерный эквивалент поверхности сферы. При этом у четырёхмерной гиперсферы не обязательно должно быть четвёртое пространственное измерение. Это просто означает, что геометрия Вселенной – как ведут себя параллельные линии, чему равна сумма углов треугольника, или отношение длины окружности к диаметру – такие же, как геометрия на поверхности сферы. Можно описать математику этой геометрии, используя только лишь три пространственных измерения, поэтому высшие измерения могут не понадобиться. Однако, для нужд нашего описания, стоит представить себе поверхность сферы, поскольку это поможет получить представление об устройстве такой вселенной. Поверхность сферы – двумерная закрытая вселенная. Помните, что вселенная – это поверхность. У неё нет центра, его нет в пределах вселенной – поскольку всё, что в ней содержится, находится на поверхности сферы и ни одна из её точек не отличается от других.
Минимальный размер нашей Вселенной
Космос велик. Он просто огромен. Вы даже не поверите, насколько он умопомрачительно громаден. Вам может казаться, что от вашего дома до аптеки далеко, но это просто ерунда в сравнении с космосом.
Принесём извинения Дугласу Адамсу и подсчитаем размер нашей Вселенной.
Во-первых, возраст Вселенной составляет 13,8 миллиардов лет. Это очень долго по сравнению с нашими жизнями, но для Вселенной — возраст вполне подходящий. Край наблюдаемой Вселенной находится от нас на расстоянии 48 миллиардов световых лет. «Погодите-ка!»,- можете закричать вы. «Как свет может за 13,8 миллиардов лет преодолеть расстояние в 48 миллиардов световых лет!». Вспомните, что за то время, пока свет шёл к нам, Вселенная расширялась. В каком-то смысле свет пытался «нагнать» расширение. Это несовершенное описание и если вам знакома СТО, вы будете возражать. Но это имеет некий смысл в контексте ОТО.
Как этот размер соотносится с общим размером Вселенной? Если мы предположим, что Ω=1,0133, а это максимальная плотность энергии, соответствующая текущим данным, и, значит, наименьшая из закрытых вселенных – то сможем подсчитать размер Вселенной. Результат выглядит примерно так:
Поверхность сферы обозначает размер всей Вселенной, где Ω=1,0133. Матовая часть находится вне наблюдаемой нами Вселенной; кусочек сверху – наблюдаемая Вселенная. Радиус кривизны этой вселенной составляет 120 миллиардов световых лет. Её окружность – 760 миллиардов световых лет. Это значит, что диаметр наблюдаемой Вселенной составляет 1/8 от полной длины линии, которую нужно было бы провести в пространстве, чтобы она замкнулась на себя. Объём всей Вселенной в 100 раз превышает объём наблюдаемой. (Если вы возразите, что 83 не равно 100, вспомните, что пространство у нас неэвклидово и ваша интуиция по поводу радиусов и объёмов не работает).
Вспомним, что это минимальный размер Вселенной, согласно нашим данным. Большинство подозревает, что Вселенная реально неизмеримо больше, чем эта и может быть бесконечной.
Размер и судьба не связаны
Открыв любую книжку о космологии, написанную раньше 2000 года (и некоторые чуть более новые), вы, скорее всего, прочтёте, что закрытая вселенная реколлапсирует, а открытая – вечно расширяется. Но это так, только если плотность тёмной энергии вселенной нулевая! Эти описания неявно подразумевали, что в нашей Вселенной доминирует материя и в этом случае геометрия и судьба Вселенной были сильно связаны. В такой вселенной, как наша, где существует тёмная энергия, судьба и геометрия не связаны так сильно. Тёмная материя и тёмная энергия влияют как на форму Вселенной, так и на её судьбу, но влияют по-разному. Что именно случится с нашей Вселенной, зависит от того, какой именно окажется тёмная энергия. Но если она такая, как её представляет себе большинство из нас, Вселенная будет расширяться вечно и галактические кластеры будут всё дальше разлетаться друг от друга. При этом неважно, плоская наша Вселенная, открытая или закрытая.
Источник
Какая самая маленькая частица во Вселенной существует
Ответ на непрекращающийся вопрос: какая самая маленькая частица во Вселенной эволюционировал вместе с человечеством.
Люди когда-то думали, что песчинки были строительными блоками того, что мы видим вокруг нас. Затем был обнаружен атом, и он считался неделимым, пока он не был расщеплен, чтобы выявить протоны, нейтроны и электроны внутри. Они тоже не оказались самыми маленькими частицами во Вселенной, так как ученые обнаружили, что протоны и нейтроны состоят из трех кварков каждый.
Пока ученые не смогли увидеть никаких доказательств того, что внутри кварков что-то есть и достигнут самый фундаментальный слой материи или самая маленькая частица во Вселенной.
И даже если кварки и электроны неделимы ученые не знают, являются ли они наименьшими битами материи в существовании или если Вселенная содержит объекты, которые являются еще более мелкими.
Самые мельчайшие частицы Вселенной
Они бывают разных вкусов и размеров, некоторые имеют удивительную связь, другие по существу испаряют друг друга, многие из них имеют фантастические названия: кварки состоящие из барионов и мезонов, нейтроны и протоны, нуклоны, гипероны, мезоны, барионы, нуклоны, фотоны и т.д.
Бозон Хиггса
Бозон Хиггса, настолько важная для науки частица, что ее называют “частицей Бога”. Считается, что она определяет массу всем другим. Элемент был впервые теоретизирован в 1964 году, когда ученые задавались вопросом, почему некоторые частицы более массивны, чем другие. 
Бозон Хиггса связан с так называемым полем Хиггса который, как полагают, заполняют Вселенную. Два элемента (квант поля Хиггса и бозон Хиггса), ответственны за то, чтобы дать другим массу. Названа в честь шотландского ученого Питера Хиггса. С помощью адронного коллайдера 14 марта 2013 г. официально объявлено о подтверждении существования Бозона Хиггса.
Многие ученые утверждают, что механизм Хиггса разрешил недостающую часть головоломки, чтобы завершить существующую “стандартную модель” физики, которая описывает известные частицы.
Кварки
Кварки (в переводе бредовые) строительные блоки протонов и нейтронов. Они никогда не одиноки, существуя только в группах. По-видимому, сила, которая связывает кварки вместе, увеличивается с расстоянием, поэтому чем дальше, тем труднее их будет разнять. Поэтому свободные кварки никогда не существуют в природе.
Кварки фундаментальные частицы являются бесструктурными, точечными размером примерно 10 −16 см.
Например, протоны и нейтроны состоят из трех кварков, причем протоны содержат два одинаковых кварка, в то время как нейтроны имеют два разных.
Суперсимметричность
Известно, что фундаментальные «кирпичики» материи фермионы это кварки и лептоны, а хранители силы бозоны это фотоны, глюоны. Теория суперсимметрии говорит о том, что фермионы и бозоны могут превращаться друг в друга.
Предсказываемая теория утверждает, что для каждой известной нам частицы есть родственная, которую мы еще не обнаружили. Например, для электрона это селекрон, кварка – скварк, фотона –фотино, хиггса — хиггсино.
Почему мы не наблюдаем этой суперсимметрии во Вселенной сейчас? Ученые считают, что они намного тяжелее, чем их обычные родственные частицы и чем тяжелее, тем короче их срок службы. По сути, они начинают разрушаться, как только возникают. Создание суперсимметрии требует весьма большого количества энергии, которая только существовала вскоре после большого взрыва и возможно может быть создана в больших ускорителях как большой адронный коллайдер.
Что касается того, почему симметрия возникла, физики предполагают, что симметрия, возможно, была нарушена в каком-то скрытом секторе Вселенной, который мы не можем видеть или касаться, но можем чувствовать только гравитационно.
Нейтрино
Нейтрино легкие субатомные частицы, которые свистят везде с близкой скоростью света. На самом деле, триллионы нейтрино текут через ваше тело в любой момент, хотя они редко взаимодействуют с нормальной материей.
Некоторые нейтрино происходят от солнца, в то время как другие от космических лучей, взаимодействующих с атмосферой Земли и астрономическими источниками, такими как взрывающиеся звезды на Млечном пути и другие далекие галактики.
Антивещество
Считается, что все нормальные частицы имеют антивещества с одинаковой массой, но противоположным зарядом. Когда материя и антивещество встречаются, они уничтожают друг друга. Например, частица антиматерии протона является антипротоном, в то время как партнер антиматерии электрона называется позитроном. Антивещество относится к самым дорогим веществам в мире которые смогли определить люди.
Гравитоны
В области квантовой механики все фундаментальные силы передаются частицами. Например, свет состоит из безмассовых частиц, называемых фотонами, которые несут электромагнитную силу. Точно также гравитон является теоретической частицей, которая несет в себе силу гравитации. Ученым еще предстоит обнаружить гравитоны, которые сложно найти, потому что они так слабо взаимодействуют с веществом.
Нити энергии
В экспериментах крошечные частицы, такие как кварки и электроны, действуют как одиночные точки материи без пространственного распределения. Но точечные объекты усложняют законы физики. Поскольку нельзя приблизиться бесконечно близко к точке, так как действующие силы, могут стать бесконечно большими.
Идея под названием теория суперструн может решить эту проблему. Теория утверждает, что все частицы, вместо того, чтобы быть точечными, на самом деле являются маленькими нитями энергии. Тоесть все объекты нашего мира состоят из вибрирующих нитей и мембран энергии. Ничто не может быть бесконечно близко к нити, потому что одна часть всегда будет немного ближе, чем другая. Эта “лазейка”, похоже, решает некоторые из проблем бесконечности, делая идею привлекательной для физиков. Тем не менее, у ученых до сих пор нет экспериментальных доказательств того, что теория струн верна.
Другой способ решения точечной проблемы – сказать, что само пространство не является непрерывным и гладким, а на самом деле состоит из дискретных пикселей или зерен, иногда называемых пространственно-временной структурой. В этом случае две частицы не смогут бесконечно приближаться друг к другу, потому что они всегда должны быть разделены минимальным размером зерна пространства.
Точка черной дыры
Еще одним претендентом на звание самая маленькая частица во Вселенной является сингулярность (единственная точка) в центре черной дыры. Черные дыры образуются, когда вещество конденсируется в достаточно маленьком пространстве, которое захватывает гравитация, заставляя вещество втянуть вовнутрь, в конечном итоге конденсируясь в единую точку бесконечной плотности. По крайней мере по действующим законам физики.
Но большинство экспертов не считают черные дыры действительно бесконечно плотными. Они считают, что эта бесконечность является результатом внутреннего конфликта между двумя действующими теориями – общей теорией относительностью и квантовой механикой. Они предполагают, что когда теория квантовой гравитации может быть сформулирована, истинная природа черных дыр будет раскрыта.
Планковская длина
Нити энергии и даже самая маленькая частица во Вселенной может оказаться размером с “длину планка”.
Планковская длина – «естественная единица» измерения длины, которая была предложена немецким физиком Максом Планком.
Длина Планка слишком мала для любого инструмента, чтобы измерить, но помимо этого, считается, что она представляет собой теоретический предел кратчайшей измеримой длины. Согласно принципу неопределенности, ни один инструмент никогда не должен быть в состоянии измерить что-либо меньшее, потому что в этом диапазоне Вселенная вероятностная и неопределенная.
Эта шкала также считается разграничительной линией между общей теорией относительности и квантовой механикой.
Планковская длина соответствует расстоянию, где гравитационное поле настолько сильно, что оно может начать делать черные дыры из энергии поля.
Очевидно сейчас, самая маленькая частица во Вселенной примерно размером с длину планка: 1,6·10 −35 метров
Выводы
Однако физики уже оперируют с самыми маленькими частицами во Вселенной планковского размера который равняется примерно 1,6 х 10 −35 метров.
Источник