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
Вселенная — это большой космический бублик! Доказательства
В этой статье излагается теория, объясняющая, почему Вселенная не расширяется равномерно во всех направлениях, и она связана с геометрией пространства-времени. Большинство ученых считают, что пространство «плоское», если только оно не «искривляется» присутствием материи (что приводит к гравитации). Теория тороидальной Вселенной предполагает, что Вселенная на самом деле не может расширяться, и это только так кажется, потому что пространство-время динамически течет с геометрией тора. Таким образом, Вселенная может одновременно расширяться и сжиматься в замкнутом контуре — растягиваясь вверху, где пространство-время выходит из центра тора, и сужаясь внизу, где пространство-время течет обратно в центр. Теория тороидальной Вселенной также объясняет, почему время течет только в одном направлении — вперед!
Вступление
Большой взрыв не был разовым взрывом, произошедшим около 14 миллиардов лет назад. Это было быстрое расширение пространства, и, поскольку пространство все еще расширяется, то можно сказать, что Большой взрыв все еще происходит. Принято считать, что Большой взрыв произошел из одной точки, называемой «сингулярностью», но на самом деле прямых доказательств этого нет. Если проследить текущее расширение Вселенной во времени, то очевидно, что оно началось гораздо раньше, чем сегодня, но предположение о том, что вселенная возникла из сингулярности, является всего лишь экстраполяцией этой тенденции. На самом деле уравнения, которые, по-видимому, предполагают, что расширение Вселенной может быть прослежено до сингулярности, несовместимы с квантовой механикой, поэтому они, вероятно, неверны. Правда в том, что ученые просто не знают, как возникла Вселенная и было ли у нее вообще начало.
Циклическая Вселенная
Многообещающая новая теория «циклической вселенной» была предложена Анной Иджас из Института Макса Планка и Полом Стейнхардтом из Принстонского университета. В циклической Вселенной периоды расширения чередуются с периодами сжатия. У такой вселенной не было бы ни начала, ни конца. Анна и Пол предполагают, что текущее расширение Вселенной вызвано вездесущим энергетическим полем (поведение которого в настоящее время приписывается темной энергии). Затем, когда энергетическое поле ослабевает, Вселенная начинает плавно сдуваться, но не полностью до сингулярности, потому что сжатие перезаряжает энергетическое поле, и расширение начинается снова.
Когда я увидел это изображение, я был взволнован, потому что оно имеет некоторое сходство с моей собственной теорией, которую я опишу ниже.
Вспышка вдохновения
Я не физик и не космолог, поэтому эта теория возникла не на основе изучения данных или разработки сложных формул. Я исследователь сознания, и эта идея возникла как вспышка вдохновения, когда я медитировал и задавал вопросы своей девушке. За несколько дней до этого я увидел в Википедии следующее изображение …
Самое интересное, что мы с девушкой испытывали энергетические поля в форме тора (подобные изображенному ниже) во время наших медитаций и самоисследований.
Затем, во вспышке вдохновения, два изображения сошлись вместе (как показано ниже), и мы поняли, что Вселенная имеет тороидальную геометрию. Это не новая идея, но для нас она была новой, и мы знали, что она важна.
Кручение (закручивающая энергия) в центральном вихре тора предотвращает втекающую энергию-материю от образования сингулярности, поэтому она может снова появиться из вершины тора в вечном цикле творения, существования и растворения (или Брахмы, Вишну и Шива ).
Большинство ученых считают, что Вселенная плоская и открытая, а не изогнутая и замкнутая (как тор), но это может быть просто вопросом масштаба. В конце концов, с нашей повседневной точки зрения Земля кажется плоской, хотя на самом деле это гигантская изогнутая сфера. Таким образом, наблюдаемая Вселенная может быть очень маленькой областью, выходящей из вершины тора. Но для того, чтобы это было правдой, должны быть некоторые доказательства того, что Вселенная искривляется и закрывается.
Изогнутая замкнутая Вселенная
В статье на ScienceAlert.com описывается, как данные со спутника Planck Европейского космического агентства показывают, что Вселенная «изогнута и замкнута, как надувающаяся сфера». Исследовательская группа, возглавляемая Элеонорой Ди Валентино из Манчестерского университета, обнаружила, что космическое микроволновое фоновое излучение искривлено сильнее, чем можно было бы ожидать, если бы Вселенная была плоской. «Замкнутая вселенная может дать физическое объяснение этому эффекту», а уровень достоверности данных составляет 99,8%.
Вышеупомянутое исследование предполагает, что Вселенная «изогнута и замкнута, как надувающаяся сфера», но не утверждает, что Вселенная является сферой. Таким образом, Вселенная может быть сферой или тором, потому что оба они изогнуты и замкнуты. Криволинейная/ замкнутая модель обычно считается гиперсферой с объемом поверхности 2π^2*r^3 . Интересно, что поверхностный объем тора также равен 2π^2*r^3, поэтому пространственная геометрия искривленной/замкнутой Вселенной может быть тороидальной. Если бы Вселенная была сферической, она бы расширялась равномерно во всех направлениях, но если бы она была тороидальной, она бы расширялась по-разному в разных направлениях из-за более сложной геометрии. Итак, теперь нам просто нужны доказательства того, что Вселенная расширяется неравномерно.
Неравномерное расширение
Скорость расширения Вселенной известна как «постоянная Хаббла». Его измеряли много раз, но никакие два измерения не совпадают, что может означать, что Вселенная расширяется по-разному в разных направлениях.
В течение многих лет большинство ученых считали, что космос расширяется с постоянной скоростью, везде и во всех направлениях, но недавняя статья на ESA.int (веб-сайт Европейского космического агентства), похоже, говорит об обратном. Исследование было совместным проектом Боннского университета и Гарвардского университета, и оно предполагает, что расширение Вселенной не изотропно, то есть оно не одинаково во всех направлениях. Рентгеновский анализ далеких скоплений галактик предполагает, что Вселенная может расширяться с разной скоростью в разных направлениях.
Вот что говорит по этому поводу ученый Геррит Шелленбергер из Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики:
Основываясь на наших наблюдениях за скоплением, мы могли обнаружить различия в скорости расширения Вселенной в зависимости от того, как мы смотрели… Это противоречило бы одному из самых основных предположений, которые мы используем сегодня в космологии.
Источник