Расширяется ли пространство внутри атомов?
Космическое пространство постоянно расширяется. Это открытие было сделано почти столетие назад астрономом Эдвином Хабблом. Проводя свои астрономические исследования он обнаружил, что почти все галактики удаляются от нас. И чем больше расстояние до них, тем быстрее они это делают.
Сделанное открытие перевернуло мир науки. Получалось, что наша Вселенная имеет в прошлом какую-то начальную точку! И после своего рождения все время увеличивалась в размерах! Да, но это расширение должно со временем замедляться! Так размышляли астрономы, запустив руки в густые бороды. Потому что гравитацию никто не отменял! И вся материя Вселенной должна начать в итоге стягиваться в какую-то условную точку!
Пространство расширяется с ускорением
Однако это оказалось не так. В конце 90-х годов прошлого века астрономы обнаружили свидетельства того, что космическое расширение на самом деле не замедляется. А ускоряется! Позже за это открытие в 2011 году ученые получили Нобелевскую премию по физике.
Считается, что ответственность за ускорение расширения Вселенной несет некая таинственная субстанция, которую современные космологи называют «темная энергия». Именно она создает гравитационные эффекты, которые заставляют среднее расстояние между галактиками увеличиваться все быстрее и быстрее с течением времени. Определение истинной природы темной энергии остается одной из величайших загадок теоретической физики в наши дни.
И по этому поводу возникает один очень интересный вопрос. Звучит он так: означает ли существование темной энергии в нашей ускоряющейся Вселенной, что пространство расширяется повсюду? Даже в небольших масштабах, например внутри атомов? Ведь в них большая часть объема фактически является «пустым» пространством!
Нам повезло
И ответ на этот вопрос — нет. И мы все должны быть рады, что живем в такой Вселенной. К нашему счастью, локальные электромагнитные силы, которые удерживают положительно заряженное ядро атома и отрицательно заряженные электроны вместе, а также сильные ядерные силы, стабилизирующие ядро, значительно мощнее, чем потенциально разрушительные силы темной энергии.
Другими словами — электромагнитные и гравитационные силы препятствуют расширению планет и их спутников по мере расширения Вселенной. В еще больших масштабах это тоже работает. Сила тяжести, которая связывает звезды, галактики и скопления галактик, также сильнее, чем локальные эффекты темной энергии. Поэтому последние начинают работать там, где гравитационные связи между объектами становятся слишком слабы. И такие объекты начинают удаляться друг от друга со все возрастающей скоростью. Именно по этой причине настанут такие времена, когда в нашем небе будут видны лишь объекты, входящие в так называемую Местную группу галактик. Потому что все они связаны гравитационными взаимодействиями, которые мощнее эффектов, вызываемых темной энергией.
Космологи говорят, что возможно существуют какие-то другие Вселенные, в которых темная энергия оказалась сильнее. В таких Вселенных темная энергия могла помешать образованию звезд или галактик. Или, в конечном итоге, даже разорвать все атомы.
Если бы так произошло в нашей реальности, нас бы здесь не было.
Источник
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
Простое опровержение расширения вселенной
Наша вселенная расширяется. По крайней мере, об этом свидетельствуют многочисленные экспериментальные подтверждения закона Хаббла и всё более точные измерения постоянной его имени. Более того в конце прошлого века было обнаружено ускоренное расширение вселенной. За это открытие в 2011 году была вручена нобелевская премия по физике. И это очень плохо. Плохо не вручение нобелевской премии, а ускоренное расширение вселенной. Так как это неизбежно приведёт к краху нашей вселенной и её тепловой смерти. Расширение вселенной теоретически обосновано Фридманом ещё в начале XX века и является фундаментом современной космологической теории Большого Взрыва. Для описания расширяющейся вселенной построена соответствующая математическая модель, основанная на метрике Фридмана, которая предполагает три возможных состояния кривизны пространства нашей вселенной – нулевая кривизна для плоской трёхмерной вселенной, отрицательная для вогнутой трёхмерной гиперсферы вселенной и положительная для выгнутой трёхмерной сферы вселенной. Однако эта математическая модель в настоящее время применяется только на больших масштабах вселенной. Примерно сотни световых лет и больше, что соответствует размерам скоплений галактик. В первую очередь такое ограничение сферы применения матмодели расширяющейся вселенной обусловлено тем, что практические измерения метрик вселенной в ближайших к нам окрестностях на масштабах галактик не подтверждают расширение вселенной. Конечно, у теоретиков для подобных случаев есть замечательное правило, которое гласит, что если наблюдаемая действительность не соответствует предсказаниям теории, то тем хуже для наблюдаемой действительности. Однако в данном случае учёные смогли внести в свою теоретическую модель достаточно правдоподобные уточнения, объясняющие отсутствие расширения вселенной в отдельных локальных областях тем, что на галактических масштабах космические объекты связаны друг с другом силой гравитационного притяжения и эта сила удерживает такие локальные области вселенной от расширения.
На картинке выше такие стационарные, не расширяющиеся, области вселенной хорошо видны как более яркие белые скопления, образующие некую ячеистую структуру вокруг чёрных пустот — войдов. Согласно современным представлениям внутри скоплений галактик (белых областей) расширение вселенной не наблюдается, так как ему (расширению) мешает гравитация. Расширение вселенной происходит исключительно внутри чёрных областей из-за меньших сил гравитации, связывающих галактические скопления по краям войдов. Звучит вполне логично и на первый взгляд такое распределение гравитационных полей выглядит достаточно правдоподобно. Однако, что бы оценить правомерность предложенного ограничения области действия модели Фридмана, давайте определимся с величинами сил гравитации, действующих на представленные космические объекты. Как мы все прекрасно помним, сила гравитационного притяжения двух материальных объектов пропорциональна массам взаимодействующих объектов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Масса средней галактики составляет что-то около 10^10 (десять в десятой степени) масс Солнца. Средний диаметр галактики равен примерно 400 тысяч световых лет. Среднее расстояние между галактиками в скоплении составляет не менее 3 миллионов световых лет. Имея эти данные, мы можем вычислить силу гравитационного притяжения между средними галактиками внутри некоего абстрактного скопления галактик.
Этот очень грубый расчёт дал нам первую цифру для сравнения. Проведём аналогичные вычисления для силы гравитационного притяжения между галактическими скоплениями, расположенными на максимальном удалении друг от друга вокруг чёрных пустот. Для этого нам потребуется значение массы среднего галактического скопления, а также средний диаметр чёрной пустоты (войда). Итак, среднее галактическое скопление состоит примерно из 500 галактик и имеет массу 10^15 (десять в пятнадцатой степени) масс Солнца. Диаметр среднего скопления галактик 19,6 миллионов световых лет. Средний войд имеет диаметр примерно 300 миллионов световых лет. Считаем:
Полученная величина на 6 (шесть) порядков больше силы притяжения между отдельными галактиками внутри скоплений. Т.е. сила гравитационного притяжения между скоплениями галактик, разделённых войдами, в миллион раз больше силы притяжения галактик друг к другу внутри галактического скопления. Следовательно, математическая модель, основанная на метрике Фридмана, будет работать на масштабах скоплений галактик в миллион раз хуже, чем на масштабах галактик. Учитывая, что в настоящее время на масштабах галактик она совсем не работает, можно сделать вывод – данная математическая модель неработоспособна на любых масштабах вселенной. Таким образом, уважаемые читатели, путём несложных вычислений мы с вами лишились теоретического обоснования расширения вселенной. Может быть это и к лучшему. Как по мне, так жить в стационарной вселенной куда спокойнее. Тем более что практические измерения реликтового излучения американским научно-исследовательским КА WMAP в период с 2001 по 2009 г. показали наличие «оси зла», вокруг которой происходит локация наблюдаемых структур вселенной.
Сам факт существования подобной анизотропии вселенной даже в единственном исполнении опровергает теорию Большого взрыва, так как совершенно не вписывается в инфляционную модель, берущую своё начало из одной точки.
PS Британские учёные из Имперского колледжа и университетского колледжа Лондона, тщательно проанализировав данные с другого, более современного космического телескопа «Планк», установили, что на самом деле никакой «оси зла» не существует. Данные с этого телескопа за период с 2009 по 2013 год были дважды обработаны на суперкомпьютере и со второй попытки удалось спасти современную космологию от полного краха. После более тщательной обработки данных у них получилось показать, что реликтовое излучение вселенной одинаково во всех направлениях и фундаментальный космологический принцип однородности не нарушается. Однако раскрывать суть «более тщательной обработки данных» британские учёные не стали.
Источник