Как расширялась вселенная (часть 1)
Вместо эпиграфа цитата из википедии – «Большой взрыв следует представлять как расширение самого пространства вместе с содержащейся в нём материей, которая в среднем в каждой данной точке покоится».
ЧАСТЬ 1
Краткое изложение общепринятой современным научным сообществом космологической модели возникновения вселенной.
В начале была сингулярность. И сингулярность была безразмерной точкой, сосредоточившей в себе всю материю и пространство вселенной. Однажды эта сингулярность решила освободиться от пространства и материи, заключённых в ней. Этому событию британский астроном Ф. Хойл придумал громкое название — Большой взрыв. Кстати, Хойл был принципиальным противником нестационарной вселенной. В его интерпретации метафора «Большой взрыв» должна была акцентировать внимание передовой научной общественности на абсолютно ненаучном предположении о некоем единичном акте творения вселенной. Однако, неисповедимы пути господни. Общая теория относительности благодаря работам Фридмана, Леметра, Хаббла, Гамова и ряда других учёных была успешно адаптирована в астрофизику. С тех пор термин Большой взрыв стал абсолютно рабочим, можно сказать ключевым, понятием в космологической модели расширяющейся вселенной.
Сразу после Большого взрыва на интервале от 0 до 10^-41 секунды известные нам законы физики ещё не действовали. Всё пространство было заполнено первичной плазмой – бесконечно плотной и бесконечно горячей материей. Примерно с 10^-41 по 10^-36 секунды произошло катастрофическое расширение пространства вселенной и охлаждение материи (предположительно до одного миллиарда градусов). Благодаря чему смогли проявиться четыре фундаментальные силы природы – гравитация, сильное и слабое взаимодействие и электромагнетизм.
За время от 10^-35 до 10^-32 вселенная расширилась настолько, что фундаментальные силы окончательно разделились и стали способны оказывать своё привычное влияние на материю. Под действием проявившихся фундаментальных сил из первичной кварк-глюоновой плазмы сформировались первые элементарные частицы – протоны, нейтроны и их античастицы (антипротоны и антинейтроны), которые тут же массово аннигилировали. Схожая судьба постигла и электроны с позитронами, они так же взаимно уничтожились сразу после рождения. В результате аннигиляции первичной материи во вселенной появилось колоссальное количество энергии, выделенной в виде электромагнитного излучения. Из-за этого молодая вселенная опять сильно нагрелась. Все описанные выше события уложились примерно в 3 минуты. На этом история нашей вселенной могла бы и закончиться, не оставив после себя ничего кроме яркой вспышки электромагнитного излучения.
Но в силу не понятной пока асимметрии первичной плазмы, проявившейся в преобладании кварков над антикварками, сразу после БВ материя доминировала над антиматерией. Поэтому после аннигиляции частиц и античастиц осталась избыточная материя в виде протонов, нейтронов и электронов, которые наполнили собой новорожденную вселенную. Предполагается, что к этому моменту вселенная остыла до 1 миллиарда градусов, что позволило свободным протонам и нейтронам заняться их любимым делом – нуклеосинтезом. В результате этого появились первые ядра дейтерия (протон + нейтрон) и гелия (протон + нейтрон + протон). Дальнейшие события разворачивались уже не так стремительно. В течение первых сотен тысяч лет, предположительно от 300 000 до 400 000 лет после БВ, электроны под действием электромагнитного притяжения смогли объединиться с нуклонами дейтерия, гелия и свободными протонами. Так образовались атомы первых химических элементов – водорода и гелия. Благодаря чему вселенная стала прозрачна для электромагнитного излучения и процесс её остывания пошёл веселее. В следующие несколько сотен миллионов лет сформированная материя под действием гравитации начала уплотняться и структурироваться в знакомые нам галактики, звёзды и планетарные системы. Начиная с момента Большого взрыва и до настоящего времени, вселенная расширяется. Расширение вселенной описывается законом Хаббла (астронома, а не телескопа), который связывает расстояния между галактиками со скоростью их разбегания неким коэффициентом, называемым постоянной Хаббла. Постоянная Хаббла составляет примерно 70 км/с на 1 мегапарсек. Она (постоянная Хаббла) всё время уточняется в ходе новых астрономических измерений, но сам факт расширения вселенной не вызывает никаких сомнений. Он подтверждён многочисленными и методологически отличными друг от друга измерениями. При этом законы термодинамики позволяют связывать расширение вселенной с её температурой в рамках одного адиабатического процесса. Т.е. расширение и остывание вселенной это взаимосвязанные процессы.
Дальнейшая судьба нашей вселенной в рамках нестационарной модели может развиваться по двум противоположным сценариям.
Нас ждёт Большой разрыв , если расширение вселенной будет продолжаться вечно. В этом случае, галактики, звёзды, планеты и в конечном итоге, даже атомы распадутся. Материя как физический объект прекратит своё существование, а известные нам физические законы перестанут работать. В противном случае, если расширение прекратится, наша вселенная начнёт сжиматься и рано или поздно опять коллапсирует в сингулярность. Для такого развития событий придумано зеркальное название — Большое сжатие . Оба сценария фатальны для нашей вселенной, но второй представляется более оптимистичным. Так как он допускает, что сингулярность, хотя бы гипотетически, может когда-нибудь совершить новый акт самопожертвования в виде Большого взрыва и всё описанное выше повторится.
PS Сможет ли наша вселенная избежать такой печальной участи станет ясно из продолжения, которое будет опубликовано во второй и третьей частях статьи.
Во второй части общепризнанная космологическая модель расширяющейся вселенной подвергается критике.
Третья часть посвящена описанию новой космологической модели вселенной.
Источник
Почему Вселенная расширяется?
В момент Большого Взрыва Вселенная находилась в бесконечно малой точке. После Взрыва она начала постоянно расширяться, и делает это до сих пор. Почему?
Ну, тут действует принцип от обратного, или простейший логический довод: если бы она не расширялась, то вся Вселенная так бы и осталась в одной точке. Но это не так — значит, Вселенная расширяется.
Можно дать и более аргументированный ответ: расширение Вселенной происходит из-за тёмной энергии — загадочного вещества, о котором мы пока что мало что знаем. Чем больше тёмной энергии скапливается в одном месте — тем быстрее происходит расширение в этом месте.
Куда вообще расширяется Вселенная?
Это, скорее, риторический вопрос. Легко представить расширение Вселенной через модель пирожка с изюмом — сами изюминки отдаляются друг от друга, пока пирожок печётся в духовке
Каких-то чётких границ у Вселенной нет — есть лишь ткань пространства-времени, а за её пределами ничего нет — ни атомов, ни энергии, даже нет времени. Как дать определение тому, чего не существует? Мы не сможем даже выйти за пределы Вселенной — там отсутствуют даже физические законы.
Расширение Вселенной — это «растягивание» пространственно-временной ткани, поэтому все галактики удаляются друг от друга.
Ускоряется ли её расширение или замедляется?
Ответ тут дать уже сложнее. Существует так называемый закон Хаббла, описывающий расширение Вселенной. В нём присутствует некий коэффициент, позволяющий связать расстояние до объекта с его удалением от Земли — постоянная Хаббла. Так вот, во всех точках пространства эта постоянная одинакова, но с течением времени она изменяется — и каждую секунду она становится всё меньше и меньше.
И это логично — в первые секунды Большого Взрыва Вселенная расширялась в десятки тысяч раз быстрее, чем сейчас — это мы можем узнать из реликтового излучения, оставшегося в эти первые секунды.
Из-за того, что объекты всё больше отдаляются друг от друга, расширение Вселенной замедляется. Но оно не будет замедляться вечно, Вселенная никогда не остановится увеличиваться в размерах. Одна из самых распространённых теорий по этому поводу — модель Леметра, согласно которой Вселенная сначала замедлит своё расширение, а потом ускорит:
Могут ли объекты отдаляться друг от друга быстрее скорости света?
Если одна галактика будет двигаться со скоростью света от нашей, Млечного Пути, которая тоже движется с той же скоростью, то будет ли она двигаться вдвое быстрее скорости света?
Формально да, и теория относительности не будет нарушена, ведь о перемещении в пространстве речи не идёт. Само пространство расширяется! Это можно сравнить с варп-двигателем — гипотетической моделью двигателя, который спереди сужает пространство, а сзади расширяет, таким образом путешествуя быстрее света.
Получается, мы никогда не увидим другой галактики, если скорость расширения превысит скорость света.
Сфера Хаббла
Сфера Хаббла — это так называемая область вокруг нас, которую мы в состоянии наблюдать. Дальше неё объекты удаляются от нас быстрее скорости света — и мы никогда их не увидим
🙁
И хотя с расширением Вселенной эта сфера также растёт, объекты начинают удаляться от неё всё дальше и дальше. Когда-нибудь свет от других галактик перестанет приходить к нам, и будущие разумные формы жизни будут принимать за всю Вселенную лишь наш Млечный Путь. Грустно всё это.
Понравилась статья? ставьте палец вверх и подписывайтесь на мой канал — там ещё множество научных тем: космос, химия, физика, технологии,изобретения и многое другое!
Источник
Как и куда расширяется вселенная?
Я думаю многие слышали о том, что Вселенная расширяется. У моих читателей возникает множество вопросов связанных с этим. В этой статье я постарался ответить на наиболее типичные из них.
Как работает расширение вселенной?
Когда мы смотрим на отдаленные объекты, мы можем заметить, что они отдаляются от нас, при этом чем дальше от нас находится объект, тем быстрее он отдаляется. К примеру объекты находящиеся от нас на расстоянии 13.8 миллиардов световых лет ( сфера Хаббла ) отдаляются от нас со скоростью света, а объекты находящиеся еще дальше – отдаляются быстрее скорости света!
Казалось бы происходит нарушение теории относительности, которая запрещает сверхсветовое движение, но на самом деле это не так. Так отдаленные галактики отдаляются от нас не за счет собственного движения, а за счет того, что между нами и ними пространство расширяется настолько быстро, что для расстояние увеличивается быстрее скорости света.
Почему отдаленные галактики удаляются быстрее?
Потому, что пространство расширяется везде и повсеместно равномерно во всех точках. К примеру если во вселенной каждый метр пространства увеличится на 1 сантиметр за 1 секунду, то тогда объекты расположенные на расстоянии 1 километр друг от друга отдалятся за 1 секунду друг от друга на 10 метров. А на расстоянии 100 километров — на 1000 метров. А на расстоянии 1000 километров — на 10 000 метров и так далее — чем больше расстояние между объектами, тем больше пространства между ними возникает за единицу времени.
Почему все галактики удаляется от нас? Значит ли это, что мы находимся в центре расширения? В центре вселенной? Нет, не значит. Так как пространство расширяется повсеместно и равномерно то какую бы галактику вы не выбрали, как точку обзора, из нее все будет выглядеть так, как будто это она находится в центре расширения, но по сути никакого центра расширения просто нет.
На расстоянии примерно 46.5 миллиардов световых лет находится граница наблюдаемой вселенной. Все что находится за ней мы никогда не сможем увидеть. Просто потому, что фотоны испущенные объектами находящимися за границей наблюдаемой вселенной никогда не достигнут нас — пространство между ними и нами будет возникать быстрее, чем фотоны будут успевать преодолевать его. Это расстояние еще называют горизонтом частиц .
Куда расширяется вселенная?
Теперь возникает следующий вопрос – куда же расширяется вселенная? Ответ на него донельзя прозаичен – никуда. Все дело в том, что вселенная бесконечна и не имеет границ. Более того вселенная всегда была бесконечна, даже в момент Большого Взрыва. Когда физик или астроном говорит, что в момент большого взрыва вселенная была сжата до микроскопического размера речь идет о размерах наблюдаемой вселенной, а не всей вселенной.
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