Что такое Вселенная с точки зрения космологии? (4 фото)
Рано или поздно люди начинают интересоваться окружающим миром, задумываться о своем месте в нем. В такие моменты человек задается самыми разными вопросами: почему существует жизнь, как устроена Вселенная, одни ли мы в ней.
К сожалению, наука пока не может ответить на многие вопросы, но это не значит, что ответ на них она никогда не найдет. Технологии, как и научное знание, развиваются огромными темпами, и, возможно, на нашем веку мы станем свидетелями грандиозного открытия. Стоит только подождать. За последние 100 лет человечество накопило достаточно знаний об окружающем нас мире, которых хватает, чтобы “оттолкнуться” от парящей в пустоте точки и отправиться на поиски истины, поиски в огромном, бездонном пространстве.
Итак, давайте мысленно суммируем знания о космосе и попытаемся понять, что нам вообще известно о Вселенной?
Вселенная — это все, о чем вы можете только подумать. Поверхностное объяснение, не так ли? А если конкретно, Вселенную можно представить, как “коробку”, стены которой “облеплены” галактиками и постоянно раздвигаются. В этой “коробке” заключены пространство и время, материя, энергия, ну, и, конечно, мы с вами. На самом деле, ученые не знают, имеет ли вообще Вселенная границы и форму, но то, что она расширяется — факт.
Северная и Южная Америки с высоты 35 000 км от поверхности Земли. Изображение составлено из двух спутниковых снимков, которые сделали аппаратыTerra и NOAA (GOES)
Земля и Луна, как и другие соседние тела являются частью Солнечной системы. Таких систем в космическом пространстве огромное количество, и у каждой есть свои планеты, луны, астероиды и кометы, которые вращаются вокруг своих звезд. Наше Солнце — одно из многочисленных светил в галактике Млечный Путь, которая в свою очередь является одной из миллиардов галактик в наблюдаемой Вселенной. Считается, что все галактики в космосе, включая нашу собственную, имеют в центре сверхмассивные черные дыры — огромные воронки в пространстве, на которые падает все, что оказывается рядом с ними. Гравитационное притяжение этих “воронок” настолько велико, что из их оков не может вырваться даже свет.
Астрономам для изучения Вселенной доступна лишь крохотная ее часть, чуть больше 95% космического пространства скрыто от глаз наблюдателя. Возможно, совсем скоро у ученых появятся инструменты, которые позволят наблюдать за гораздо большим космическим регионом или вообще охватить всю область неба. Тогда можно будет увидеть большее количество галактик, чем специалисты видят сейчас при помощи современных телескопов, а значит, сделать множество важных открытий.
Изображение формирования планеты вокруг карликовой звезды PDS 70
Когда речь заходит о космосе, некоторые люди считают, что космос — это нечто далекое и недоступное, а Земля — отдельное от остальной Вселенной тело, существующее само по себе. Но это не так. На самом деле космос находится гораздо ближе, чем мы думаем, он начинается всего в 100 километрах от поверхности нашей планеты, а наш дом — часть Вселенной, как и другие миры. Так уж получилось, что здесь, на Земле, сложились благоприятные условия для жизни. Земля — крошечное тело, парящее во враждебной и безжалостной для его обитателей среде.
Сколько лет Вселенной?
Ученые считают, что возраст Вселенной около 13,8 миллиарда лет, именно столько времени назад произошел Большой взрыв — событие, положившее начало ее рождению с последующим ее расширением и остыванием. Как это узнали? Благодаря расширению Вселенной.
То, что космическое пространство расширяется, астрономы поняли с помощью эффекта Доплера — явления, возникающего при движении источника излучения относительно наблюдателя (или наоборот). В 1920-х годах астрофизик Эдвин Хаббл, измеряя расстояния до ближайших галактик, заметил, что в спектре их атомного излучения присутствует красное доплеровское смещение — эффект, при котором электромагнитное излучение увеличивает свою длину волны. Ученый сделал вывод, что галактики удаляются от нас и друг от друга. Чуть позже он обнаружил, что чем дальше от наблюдателя находится галактика, тем сильнее красное смещение, и, следовательно, тем быстрее она удаляется, а значит, Вселенная расширяется.
Разделив расстояние между галактиками на скорость удаления, ученые вычислили, как давно эти объекты находились в одной точке. Этот момент и считается началом Вселенной. По последним данным, галактики находились в одной точке 13,8 миллиардов лет назад.
Из чего состоит Вселенная?
Самый распространенный элемент в космосе — водород. Большая часть наблюдаемого вещества во Вселенной состоит из атомов водорода — простейших атомов, содержащих положительно заряженное ядро — протон, и отрицательно заряженный электрон. Если же атом содержит еще и нейтрон, то это тяжелый водород, или иначе дейтерий. Два или более связанных химическими связями атомов образуют молекулу — электрически нейтральную частицу. Триллионы связанных друг с другом атомов образуют частицу пыли. Смешайте несколько тонн углерода, кремния, кислорода, льда и некоторых металлов вместе, и вы получите астероид. Или соберите воедино водород и гелий в количестве, превышающем массу Земли в 333000 раза, и у вас появится звезда, подобная Солнцу.
Снимок Хаббла Hubble Ultra Deep Field (HUDF). Изображение охватывает участок неба с 10 000 галактик, равный 3 угловым минутам, или 1/13 000 000 от всей площади неба
С развитием технологий ученые стали классифицировать сгустки материи по их характеристикам. Галактики, звездные скопления, планеты, карликовые планеты, планеты-изгои, спутники, кольца, кометы, астероиды — все это совокупность материи, обладающей отличными друг от друга свойствами, но подчиняющейся одним и тем же законам природы.
Астрономы научились подсчитывать эти сгустки материи, и получили невероятно большие цифры. Оказалось, что наша родная галактика содержит не менее 100 миллиардов звезд, а наблюдаемая Вселенная — более 100 миллиардов галактик. Если бы все галактики в наблюдаемой Вселенной имели один размер, то в ней находилось бы 10 секстиллионов звезд.
Но в космосе содержатся сгустки материи и энергии, которые скрыты от глаз астрономов. Все звезды, планеты, кометы, астероиды, черные дыры составляют менее 5% вещества во Вселенной — видимой, барионной материи. Около 27% приходится на темную материю, а 68% — темную энергию, «темная» в названиях, говорит о том, что специалисты не могут наблюдать их напрямую, а значит, они вообще не изучены. По крайней мере, пока. Ученые считают, что Вселенная, в том смысле, в каком мы ее понимаем, не работала бы, если бы не было ни темной материи, ни темной энергии.
Напомним, что по мнению специалистов, темная материя — это форма материи, которая не взаимодействует с электромагнитным излучением, а проявляет себя только через гравитационное взаимодействие. Она отвечает за движение звезд и галактик. Темная энергия — форма энергии, которая отвечает за ускоренное расширение Вселенной.
Как менялись наши представления о Вселенной?
Представления людей о Вселенной, о том, как она устроена, менялись на протяжении тысяч лет.
Вероятно, наши предки начали интересоваться космосом, как только обрели сознание. В масштабах Вселенной с тех пор прошло относительно мало времени. Тогда у людей еще не было необходимых технологий, которые бы позволили лучше понять устройство мира. Но узнать окружающий мир для наших предков было необходимостью — это повышало шансы на выживание. Единственным инструментом познания в то время были мифы, но мифы не могли объяснить природу реальности, а были всего лишь отражением человеческих забот, надежд и страхов.
Туманность W51 — один из наиболее активных регионов звездообразования.
Только несколько веков назад люди научились применять математику и новые исследовательские методы для поиска истины. Со временем эти методы, как и научные инструменты, совершенствовались, и в конечном итоге завеса тайны Вселенной стала приоткрываться. Сотни лет назад, когда люди только начали систематически исследовать природу вещей, слова «ученый» и в помине не существовало, вместо этого исследователей называли «натурфилософами». Около ста лет назад появились приборы, позволяющие астрономам наблюдать за другими галактиками, и лишь 60 лет назад люди впервые отправили космические корабли к другим планетам и их спутникам.
За каких-то полвека зонды посетили внешнюю область Солнечной системы и прислали первые снимки четырех планет-гигантов и их спутников; марсоходы впервые прокатились по поверхности Марса; люди построили космическую станцию на околоземной орбите с постоянным экипажем; а первые космические телескопы показали нам уголки далекого космоса. Только в начале XXI века астрономы открыли тысячи планет, вращающихся вокруг других звезд, впервые обнаружили гравитационные волны и получили первое изображение черной дыры.
Вселенной почти 14 миллиардов лет, нашей Солнечной системе 4,6 миллиарда лет, жизнь на Земле возникла примерно 3,8 миллиарда лет назад, а люди появились всего несколько сотен тысяч лет назад. Иными словами, Вселенная существует примерно в 56 000 раз дольше, чем наш вид. Все, что когда-либо происходило в космосе, происходило до появления людей, возможно, важные события обошли нас стороной.
Может быть, всего через одно поколение наше понимание космоса и своего места в нем изменится еще больше, изменится так, как мы сегодня не можем даже вообразить.
Источник
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