Бесконечна ли Вселенная?
Не осталось четких или окончательных доказательств того, что Вселенная либо конечна, либо бесконечна, хотя есть некоторые интригующие аргументы и предлагаемые теории с обеих сторон. Однако самое замечательное в этой загадке заключается в том, что из-за природы Вселенной мы, возможно, никогда не сможем по-настоящему узнать ответ!
Когда вы в последний раз смотрели в усыпанное звездами небо за много километров от любого другого источника света? Когда тысячи звезд простираются над вами, рассеивая свой свет за миллионы или миллиарды километров от вас, это просто ошеломляет. Чем дольше вы вглядываетесь, тем больше звезд появляется, чем вы могли бы сосчитать, если бы потратили на это всю ночь! Однако любой, кто имеет смутное представление о нашей галактике и Вселенной, знает, что на самом деле в одном только Млечном Пути есть миллиарды звезд, что намного больше, чем несколько тысяч, которые мы можем видеть с Земли!
За пределами нашей галактики Млечный Путь находится более 150 миллиардов других галактик, каждая со своим огромным количеством звезд. Нашему релятивистскому мозгу практически невозможно понять эти числа, поэтому большинство людей думают о Вселенной как о бесконечно большой и бесконечной пустоте. В большинстве повседневных ситуаций это убеждение не имеет большого значения, но верно ли оно? Бесконечна вселенная или нет?
Сложный вопрос
Первоначальный ответ на вопрос, бесконечна ли вселенная или конечна. мы не знаем. Что мы знаем с уверенностью, так это то, что Большой взрыв произошел 13,8 миллиардов лет назад, что означает, что это возраст Вселенной. Однако из-за инфляции Вселенной, а также, по-видимому, ускоряющегося расширения каждого наблюдаемого уголка Вселенной, самый дальний свет, который мы смогли обнаружить, находится примерно в 46 миллиардах световых лет во всех направлениях. Это означает, что в настоящее время мы знаем, что Вселенная имеет по меньшей мере 92 миллиарда световых лет в поперечнике. Она может быть намного больше, но у нас нет способа узнать. Свет из — за этого вселенского «края» после Большого взрыва не успел достичь Земли или наших наблюдательных спутников в космосе.
Вопрос также осложняется представлениями большинства людей о том, что такое вселенная на самом деле и как она образовалась. Многие люди думают о Большом Взрыве, происходящем в совершенно пустой пустоте, вакууме без энергии или материи, когда внезапно началось массивное расширение, извергающее материю и энергию с невообразимой скоростью, что в конечном итоге привело к образованию всех известных нам сегодня скоплений галактик, туманностей, звезд, планет и лун.
Однако это упрощенный взгляд на Большой взрыв, который в значительной степени был отвергнут экспертами. Ключ к пониманию предельной загадки Вселенной (Большой взрыв) заключается в том, что он начался не с одной точки, которая повлияла на остальную часть «пространства». Все пространство было вовлечено в Большой взрыв, который ранее был сжат с почти бесконечной плотностью.
В первые мгновения Вселенной после Большого взрыва объем и плотность материи были несколько однородны, но как только началось охлаждение и дифференциация на атомы, области накопления массы и области пустого пространства стали более определенными. Вся энергия и материя начали расширяться, удаляясь со скоростью света от всего остального; точно так же расширялось и пустое пространство между объектами (часто быстрее скорости света).
Иллюстрация расширения вселенной после большого взрыва.
Вот почему мы можем обнаружить свет на расстоянии 46 миллиардов световых лет (в том числе благодаря гравитационному линзированию), хотя наша Вселенная существует в своем нынешнем виде всего 13,8 миллиарда лет.
Это говорит о том, что во Вселенной существует «внешнее», как если бы теоретически можно было выйти наружу и затем наблюдать снаружи системы. Однако у нас нет никаких доказательств того, что такое «внешнее» существует, что является сильным аргументом в пользу теории бесконечной вселенной.
Может ли это быть бесконечным?
Мысль о том, что все сущее «бесконечно», опять же, очень трудна для человеческого ума. Наше существование изначально определяется границами и ограничениями, поэтому “бесконечное” число возможностей немыслимо. Однако если вселенная бесконечна, то существует вероятность (пусть и небольшая), что точно такое же расположение атомов и молекул существует и в других местах. Экстраполируя это дальше, можно было бы также найти место, где те же самые структуры атомов и молекул образовали бы другую Землю, с жизнью, которая развивалась бы таким же образом, а это означало бы, что где-то еще в этой бесконечной вселенной существовал бы другой «ты».
Это может звучать как научная фантастика, но это та область, где должны проводиться дискуссии о «бесконечном». Хотя эти, казалось бы, диковинные мысленные эксперименты кажутся невозможными, у нас нет возможности должным образом опровергнуть их.
Некоторые теоретики и астрофизики, включая Эйнштейна, пытались определить «форму» Вселенной, особенно после того, как Эйнштейн предположил, что время и пространство могут искривляться или даже складываться. Одна из наиболее популярных теорий этой универсальной формы — «замкнутая петля». Представьте себе это с точки зрения нашей собственной планеты; Вплоть до нескольких веков назад люди верили, что мир плоский, так как они могли видеть только горизонт, и не могли наблюдать кривизну планеты, чтобы распознать ее как сферу.
В более крупном масштабе, когда мы смотрим на Вселенную, она кажется плоской, почти как лист бумаги, и нет никакой заметной кривизны. Тем не менее мы продолжаем наблюдать «противоположные» стороны Вселенной, надеясь, что сможем распознать закономерности сходства, подобные тому, что наблюдается на нашей планете, где человек в конечном итоге достиг бы своего первоначального местоположения, если бы он шел в одном направлении достаточно долго.
Несмотря на то, что в настоящее время мы не можем увидеть кривизну Вселенной, было высказано предположение, что если бы Вселенная была по крайней мере в 250 раз больше, чем наша наблюдаемая в настоящее время Вселенная, она потенциально все еще могла бы изгибаться назад (где-то за пределами нашей способности видеть). Хотя это сделало бы объем Вселенной в миллиарды раз больше, чем мы видим сейчас, это возможно. Учитывая это теоретическое ограничение, Вселенная все равно будет считаться конечной.
Дискуссии о Большом взрыве, размере и форме Вселенной, потенциале мультивселенных, темной энергии, темной материи и десятках других загадочных тем продолжают увлекать и очаровывать экспертов, которые проводят свою жизнь, глядя на звезды. Ученые и академики любят твердые ответы и измеримые величины, но когда вы говорите о самом большом возможном масштабе (всей Вселенной), такие окончательные ответы часто неуловимы или невозможно когда-либо доказать. В то время как охота за истиной толкает вперед, человеку, возможно, придется смириться с тем, что некоторые тайны не предназначены для того, чтобы быть разгаданными.
Источник
Современные космологические модели Вселенной. Вселенная– весь существующий материальный мир, безграничный во времени и пространстве и бесконечно разнообразный по формам
Вселенная– весь существующий материальный мир, безграничный во времени и пространстве и бесконечно разнообразный по формам, которые принимает материя в процессе своего развития.
Дадим ещё одно определение Вселенной по выдающемуся химику ХХ века лауреату Нобелевской премии Л. Полингу: вселенная состоит из материи и излучения. Материю можно определить как любой вид массы-энергии, движущейся со скоростями, меньшими скорости света, а излучение – как любой вид массы-энергии, движущейся со скоростью света.
В настоящее время наибольшее признание в научном мире получила однородная изотропная модель нестационарной горячей Вселенной. В основе этой модели лежит общая теория относительности А. Эйнштейна, на которой мы подробно остановимся в следующей теме.
Однородная и изотропная модель, потому что во Вселенной нет каких-либо выделенных точек и направлений, т.е. все точки и направления равноправны.
Горячая модель, потому что речь идёт о высоких значениях плотности и температуры в момент возникновения Вселенной. По современным представлениям, Вселенная возникла в результате Большого взрыва в точке сингулярности. Т.е. должно было существовать особое начальное состояние – сингулярность с огромной плотностью массы и кривизной пространства и взрывное, замедляющееся со временем расширение. В условиях очень высокой температуры (Т>10 13 К) вблизи сингулярности могла существовать лишь равновесная смесь разных элементарных частиц. Уравнения космологии позволяют найти закон расширения однородной и изотропной Вселенной и изменение её физических параметров в процессе расширения. Расширение вначале происходило с большой скоростью, поэтому высокие плотность и температура могли существовать очень короткое время. В результате Большого взрыва образовалась первичная материя, из которой затем сформировались протозвёзды и протогалактики.
Нестационарной модель называется, потому что Вселенная расширяется. Расширение Вселенной – самое грандиозное из известных в настоящее время явлений природы. Впервые предположение об этом сделал в 1922-1924 гг. советский учёный А.А. Фридман. Он показал, что Вселенная, заполненная тяготеющим веществом, не может быть стационарной, она должна расширяться или сжиматься. Эти принципиально новые результаты получили признание лишь после открытия американским астроном Э. Хабблом своего закона. В 1929 г., исследуя периодически пульсирующие в соседних галактиках звёзды-цефеиды, он определил расстояние до этих галактик, а по измерениям красного смещения (линии спектра атома водорода смещаются в длинноволновую область при убегании галактики – явление, известное как эффект Х. Доплера) установил их скорости. Когда он построил график, на котором скорости галактик были отложены в зависимости от расстояния до них, оказалось, что взаимосвязь этих двух величин выражается на графике прямой линией: чем дальше от нас галактика, тем больше её скорость. Закон Хаббла утверждает, что чем быстрее движется галактика, тем более она удалена: v = Hr, где v –скорость удаления галактики, r –расстояние до неё, H –постоянная Хаббла. По современным оценкам, Hзаключено в пределах 50 км/(с×Мпк)
Если допустить, что в прошлом расширение Вселенной происходило теми же темпами, что и сейчас, то можно рассчитать, когда началось расширение. В этом случае величина, обратная постоянной Хаббла (1/Н), даёт нам представление о времени начала расширения Вселенной. Этот промежуток времени по разным оценкам составляет 13-20 млрд. лет.
Прекратиться ли когда-нибудь расширение Вселенной или же оно будет длиться вечно? В настоящее время ещё нет определённого ответа на этот вопрос. Всё зависит от соотношения между средней плотностью вещества во Вселенной и критической плотностью ρкр = 10 -29 г/см 3 .
Зная среднюю плотность во Вселенной и сравнив её с ρкр, можно предсказать будущую судьбу нашей Вселенной: при ρ ρкр рано или поздно наступит сжатие, вместо красного смещения в спектрах галактик будет наблюдаться голубое, и в конце концов Вселенная вернётся к сверхплотному состоянию, из которого она начала своё расширение.
Если всё светящееся, а значит, видимое вещество равномерно распределить по Вселенной, то получится значение плотности ρ = 3×10 -31 г/см 3 , которое меньше ρкр. Но, как показывают наблюдения, во Вселенной существуют какие-то формы трудно обнаруживаемой материи (скрытые массы). Это могут быть остывшие звёзды, межзвёздный газ или какие-то экзотические формы материи: первичные чёрные дыры или ещё не открытые на Земле элементарные частицы. Поэтому не исключено, что полная средняя плотность вещества во Вселенной близка к ρкр или даже больше.
Доказательством однородной изотропной модели нестационарной горячей Вселенной принято считать обнаружение в 1965 г. А. Пензиасом и Р.Уиллсоном (Нобелевская премия 1967 г.) реликтового излучения. Интенсивность этого излучения не зависит от направления, в котором его наблюдают исследователи с Земли, т.е. изотропно в пространстве, а его интенсивность излучения очень мала и соответствует излучению чёрного тела с температурой 3 К.
Но возникает вопрос: что же было до Большого взрыва? Из чего возникла Вселенная? В Библии утверждается, что Бог создал всё из ничего. Как ни удивительно, современная наука допускает, что всё могло создаться из ничего, при этом под словом «ничего» понимается вакуум. Вакуум, по современным представлениям, является своеобразной формой материи, способной при определённых условиях «порождать» вещественные частицы. Вакуум может приходить в возбуждённое состояние, вследствие чего в нём может образоваться поле, а из него возникнуть вещество. Итак, Вселенная могла образоваться из «ничего», т.е. из возбуждённого вакуума.
Вопросы для повторения и самоконтроля
1. Выделите основные структурные уровни организации материи в мегамире и дайте им характеристику.
2. Как отличается по составу атмосфера Земли от атмосферы других планет земной группы?
3. Приведите характерные параметры планет-гигантов.
4. В чем заключается современная гипотеза о происхождении Земли?
5. Каково строение Земли?
6. Что представляют собой литосферные плиты?
7. Дайте краткую характеристику гидросферы Земли.
8. Что такое звезда? Какие виды звезд вы знаете?
9. Эволюция звёзд: как она происходит?
10. Что такое чёрные дыры и почему их поиск во Вселенной является важнейшей проблемой астрономии?
11. Какие закономерности устройства Солнечной системы вам известны?
12. Что такое галактика? Какие виды галактик вам известны?
13. Каково строение нашей Галактики?
14. Какая модель Вселенной разработана в современной астрономии?
СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
1. Вернадский, В. И. Научная мысль как планетарное явление [Текст] / В.И.Вернадский. – М.: Наука, 1991. – 128 с.
2. Горелов, А. А. Концепции современного естествознания [Текст] / А.А.Горелов. – М.: Центр, 1997. – 206 с.
3. Грушевицкая, Т.Г. и др. Концепции современного естествознания [Текст]: учебное пособие для вузов / Т.Г.Грушевицкая, А.П.Содохин. – М.: ЮНИТИ – ДАНА, 2003. – 670 с.
4. Дубнищева, Т.Я. Концепции современного естествознания [Текст] / Т.Я.Дубнищева. – М.: ИЦК «Маркетинг»; Новосибирск: ООО «Изд-во ЮКЭА», 2001. – 832 с.
5. Дэвис П. Суперсила [Текст] / П.Дэвис. – М.: Мир, 1989. – 272 с.
6. Зельдович, Я. Б. и др. Строение и эволюция Вселенной [Текст] / Я.Б.Зельдович, И.Д.Новиков. – М.: Наука, 1975. – 689 с.
7. Карпенков, С. Х. Концепции современного естествознания [Текст]: учеб. для вузов / С.Х.Карпенков. – 6-е изд., перераб. и доп. — М.: Высш. шк., 2003. – 488 с.
8. Концепции современного естествознания. (Серия «Учебники и учебные пособия») [Текст]: учебник / под ред. профессора С.И.Самыгина. – 4-е изд., перераб. и доп. – Ростов н/Д: Феникс, 2003. – 448 с.
9. Кунафин, М. С. Концепции современного естествознания [Текст]: учебное пособие / М.С.Кунафин. – Уфа, 2003. – 488 с.
10. Найдыш, В. М. Концепции современного естествознания [Текст]: учебник / В.М.Найдыш. – 2-е инд., перераб. и доп. – М.: Альфа-М; ИНФРА-М, 2004. – 622 с.
11. Пригожин, И. и др. Порядок из хаоса: новый диалог человека с природой [Текст] / И.Пригожин, И.Стенгерс. – М.: Прогресс, 1986. – 431 с.
12. Рузавин, Т. Н. Концепции современного естествознания [Текст] / Т.Н.Рузавин. – М.: Культура и спорт, ЮНИТИ, 1997. – 320 с.
13. Стародубцев, В. А. Концепции современного естествознания [Текст]: учеб. пособие / В.А.Стародубцев. – 2-е изд., доп. – Томск: Томский политехнический ун-т, 2002. – 184 с.
14. Хакен, Г. Синергетика. Иерархия неустойчивостей в самоорганизующихся системах и устройствах [Текст] / Г.Хакен. – М.: Мир, 1985. – 455 с.
15. Хорошавина, С. Г. Концепции современного естествознания: курс лекций [Текст] / С.Г.Хорошавина. – 4-е. изд., – Ростов н/Д: Феникс, 2005. – 480 с.
16. Шкловский, И.С. Вселенная, жизнь, разум [Текст] / И.С.Шкловский. — М.: Наука, 1987. – 320 с.
Источник