Может ли Вселенная быть бесконечной?
Возможно, ограничения того, что мы можем наблюдать, просто искусственные; возможно, нет предела тому, что находится по ту сторону наблюдаемого. 13,8 миллиарда лет назад Вселенная началась с Большого Взрыва. С тех пор она расширяется и остывает, так было вчера, сегодня и будет завтра. С нашей точки зрения, мы можем наблюдать ее в 46 миллиардах световых лет во всех направлениях, благодаря скорости света и расширению пространства. Хотя это большое расстояние, оно конечно. Но ведь это лишь часть того, что предлагает нам Вселенная. Что находится за этой частью? Может ли Вселенная быть бесконечной?
Мы привыкли, что у всего есть конец. Но так ли это?
Вселенная бесконечна?
Как можно было бы доказать это эмпирически?
Во-первых, то, что мы видим, рассказывает нам больше, чем 46 миллиардов световых лет.
Чем дальше мы смотрим в любом направлении, тем дальше назад во времени мы смотрим. Ближайшая галактика, в 2,5 миллиона световых лет от нас, видится нам такой, какой была 2,5 миллиона лет назад, поскольку свету нужно именно это время, чтобы попасть в наши глаза с того места, где он был испущен. Самые далекие галактики мы видим такими, какие они были миллионы, сотни миллионов или даже миллиарды лет назад. Мы видим свет молодой Вселенной. Поэтому если мы будем искать свет, который был испущен 13,8 миллиарда лет назад, оставленный Большим Взрывом, мы найдем и его: космический микроволновый фон.
Его картина флуктуаций невероятно сложная, при разных угловых масштабах налицо разные разницы в средних температурах.
Также в нем закодировано невероятное количество информации о Вселенной, в том числе и поразительный факт: кривизна пространства, насколько мы можем судить, абсолютно плоская. Если бы пространство было положительно искривлено, если бы мы жили на поверхности четырехмерной сферы, мы увидели бы, как сходятся эти далекие лучи света. Если бы пространство было искривлено отрицательно, как если бы мы жили на четырехмерном седле, мы увидели бы, как далекие лучи света расходятся. Но нет, лучи света, приходящие издалека, продолжают двигаться в изначальном направлении, а флуктуации говорят об идеальной плоскости.
Космический микроволновый фон и крупномасштабная структура Вселенной в сочетании позволяют нам сделать вывод, что если Вселенная конечна и замыкается сама в себе, она должна быть по крайней мере в 250 раз больше того, что мы наблюдаем. И поскольку мы живем в трех измерениях, мы получаем (250) 3 в виде объема, или умножаем пространство в 15 миллионов раз. Каким бы большим это число ни было, оно не бесконечно.
По самой скромной оценке, Вселенная должна быть по меньшей мере 11 триллиона световых лет во всех направлениях. И это много, но… конечно.
Какого размера Вселенная?
Впрочем, имеются основания полагать, что она больше. Большой Взрыв мог ознаменовать начало наблюдаемой Вселенной, какой мы ее знаем, но он не знаменует рождение времени и пространства как таковых. До Большого Взрыва Вселенная переживала период космической инфляции. Она не была наполнена материей и излучением и не была горячей. Она:
- была наполнена энергией, присущей самому пространству;
- расширялась в постоянном экспоненциальном порядке;
- создавала новое пространство так быстро, что самая маленькая физическая длина, длина Планка, растягивалась до размеров наблюдаемой сегодня Вселенной каждые 10 -32 секунд.
Верно, в нашем регионе Вселенной инфляция завершилась. Но есть несколько вопросов, на которые мы пока не знаем ответа, которые могут определить истинный размер Вселенной, а также и то, бесконечна она или нет.
Насколько большой была область Вселенной после инфляции, в которой родился наш Большой Взрыв?
Глядя на нашу Вселенную сегодня, на равномерное послесвечение Большого Взрыва и на плоскость Вселенной, мы можем извлечь не так много. Мы можем определить высший предел энергетического масштаба, при котором происходила инфляция; мы можем определить, какая часть Вселенной прошла через инфляцию; мы можем определить нижний предел того, сколько должна была продолжаться инфляция. Но кармашек инфляционной Вселенной, в которой родилась наша собственная, может быть намного, намного больше нижнего предела. Он может быть в сотни, миллионы или гуголы раз больше, чем мы можем наблюдать… или воистину бесконечным. Но пока мы не сможем наблюдать больше Вселенной, чем доступно нам в настоящее время, мы не получим достаточно информации, чтобы ответить на этот вопрос.
Если вам интересны новости науки и технологий, подпишитесь на нас в Яндекс.Дзен, чтобы не пропускать новые материалы!
Верна ли идея «вечной инфляции»?
Если вы считаете, что инфляция должна быть квантовым полем, то в любой момент в ходе этой фазы экспоненциального расширения существует вероятность, что инфляция закончится Большим Взрывом, и вероятность, что инфляция будет продолжаться, создавая все больше и больше пространства. Эти расчеты мы вполне можем произвести (при нескольких допущениях) и они приведут к неизбежному выводу: если вам нужна инфляция, которая производит наблюдаемую нами Вселенную, тогда инфляция всегда будет создавать больше пространства, которое продолжает расширяться, по сравнению с регионами, которые уже закончились Большими Взрывами. И если наша наблюдаемая Вселенная могла появиться в результате окончания инфляции в нашем регионе пространства порядка 13,8 миллиарда лет назад, существуют области, в которых инфляция продолжается — создавая все больше и больше пространства и рождая Большие Взрыва — и по сей день. Эта идея носит название «вечной инфляции» и в целом принимается сообществом физиков-теоретиков. И тогда насколько велика вся ненаблюдаемая Вселенная?
Теория вечной инфляции имеет право на существование
Как долго протекала инфляция до своего конца и Большого Взрыва?
Мы можем видеть лишь наблюдаемую Вселенную, созданную в конце инфляции и нашим Большим Взрывом. Мы знаем, что эта инфляция должна была продолжаться по меньшей мере 10 -32 секунд или около то, но вполне могла и дольше. Но насколько дольше? На секунды? Годы? Миллиарды лет? Или бесконечно? Всегда ли протекала инфляция Вселенной? Было ли у нее начало? Возникла ли она из предыдущего состояния, которое было вечно? Или, возможно, все пространство и время возникло из «ничего» какое-то время назад? Возможностей много, но все они непроверяемы и недоказуемы к настоящему времени.
В соответствии с нашими лучшими наблюдениями, мы знаем, что Вселенная намного, намного больше той части, которую мы имеем счастье наблюдать. За пределами того, что мы видим, находится много больше Вселенной, с теми же законами физики, с теми же структурами (звездами, галактиками, скоплениями, нитями, пустотами и т. п.) и с теми же шансами на развитие сложной жизни. Также должны быть конечные размеры «пузырей», в которых заканчивается инфляция, и гигантское количество таких пузырей, заключенных в гигантском, раздувающемся в процессе инфляции пространстве-времени. Но любым большим числам есть предел, они не бесконечны. И только если инфляция не продолжалась на протяжении бесконечно протяженного времени, Вселенная должна быть конечной.
Проблема в этом всем то, что мы знаем только, как получить доступ к информации, доступной в нашей наблюдаемой Вселенной: к этим 46 миллиардам световых лет во всех направлениях. Ответ на самый большой из всех вопросов, будь Вселенная конечной или бесконечной, может быть закодирован в самой этой Вселенной, но мы слишком связаны по рукам, чтобы узнать это. К сожалению, физика, которая у нас есть, не дает нам других вариантов.
Источник
Конечна или бесконечна Вселенная?
Есть два варианта: либо Вселенная конечна и обладает размером, либо бесконечна и тянется вечно. Оба варианта заставляют хорошенько задуматься. Насколько велика наша Вселенная? Все зависит от ответа на вышеуказанные вопросы. Пытались астрономы понять это? Конечно пытались. Можно сказать, они одержимы поиском ответов на эти вопросы, и благодаря их поискам мы строим чувствительные космические телескопы и спутники. Астрономы вглядываются в космический микроволновый фон, реликтовое излучение, оставшееся со времен Большого Взрыва. Каким образом можно проверить эту идею, просто наблюдая за небом?
Ученые пытались найти доказательства того, что особенности на одном конце неба связаны с особенностями на другом, вроде того, как края обертки на бутылке соединяются друг с другом. До сих пор не найдено никаких доказательств, что края неба могут быть связаны.
Если говорить по-человечески, это означает, что на протяжении 13,8 миллиарда световых лет во всех направлениях Вселенная не повторяется. Свет проходит туда-сюда-обратно через все 13,8 миллиарда световых лет и только потом покидает Вселенную. Расширение Вселенной отодвинуло границы покидания светом вселенной на 47,5 миллиарда лет. Можно сказать, наша Вселенная 93 миллиарда световых лет в поперечнике. И это минимум. Возможно, это число 100 миллиардов световых лет или даже триллион. Мы не знаем. Возможно, и не узнаем. Также Вселенная вполне может быть бесконечной.
Итак, представьте себе. В одном кубометре космоса (просто расставьте руки пошире) есть конечное число частиц, которое может существовать в этом регионе, и у этих частиц может быть конечное число конфигураций с учетом их спина, заряда, положения, скорости и т. д.
Тони Падилья из Numberphile подсчитал, что это число должно быть десять в десятой в семидесятой степени. Это настолько большое число, что его нельзя записать всеми карандашами во Вселенной. Если предположить, конечно, что другие формы жизни не изобрели вечные карандаши или не существует дополнительного измерения, заполненного сплошь карандашами. И все равно, наверное, карандашей не хватит.
В наблюдаемой Вселенной есть только 10^80 частиц. И этого намного меньше, чем возможных конфигураций материи в одном кубометре. Если Вселенная действительно бесконечна, то удаляясь от Земли вы в конце концов найдете место с точным дубликатом нашего кубометра космоса. И чем дальше, тем больше дубликатов.
Подумаешь, скажете вы. Одно облако водорода выглядит так же, как и другое. Но вы должны знать, что проходя по местам, которые будут выглядеть знакомыми все больше и больше, вы в конечном итоге дойдете до места, где найдете себя. А найти копию себя — это, пожалуй, самое странное, что может произойти в бесконечной Вселенной.
Ответить на вопрос, конечна или бесконечна Вселенная, крайне важно, потому что любой из ответов будет умопомрачительным. Пока астрономы не знают ответа. Но не теряют надежды.
Источник
Бесконечность Вселенной: как понять и осознать космос
Современная космология возникла в XX веке с развитием Общей Теории Относительности Альберта Эйнштейна. Именно эта наука изучает эволюцию Вселенной в целом. Многие парадоксы классической космологии вызывают интерес: фотометрический парадокс (почему ночью темно?), термодинамический парадокс (почему не наступило тепловое равновесие?), гравитационный парадокс (закон всемирного тяготения не объясняет гравитационное поле, создаваемое бесконечной системой масс).
Но один из главных вопросов, волнующий учёных, звучит так: бесконечна ли Вселенная? Бесконечна ли вселенная с точки зрения математики, физики, философии? Как представить бесконечность космоса? Ответы на эти вопросы помогут взглянуть на будущее человечества под другим углом.
Как доказать бесконечность Вселенной?
Космология Джордано Бруно
Джордано Бруно стал одним из первых, кто попытался ответить на вопрос: бесконечна ли Вселенная с точки зрения философии — и доказать это в своих трактатах: «Пир на пепле», «О бесконечном, Вселенной и мирах». Однако его аргументы пересекались с теологией и основывались на божественном начале:
- Первое доказательство: принцип полноты. Если бог, сотворивший Вселенную, всемогущ и бесконечен, то и Вселенная бесконечна.
- Второе доказательство: принцип отсутствия основания. Если бог сотворил мир в одной точке пространства, то сотворил его в и в другой.
- Третье доказательство: вне Вселенной ничего нет, поэтому ничто не может её ограничить.
Эти выводы Бруно приводил с точки зрения философии и теологии, поэтому они имеют не научное, а культурное и историческое значение. Современная же наука хочет ответить на вопрос: бесконечна ли Вселенная с точки зрения математики и философии.
Памятник Джордано Бруно в Италии
Современная космология. Расширяющаяся Вселенная
На данный момент учёные доказали, что правильная модель Вселенной — расширяющаяся Вселенная, а не стационарная, как считалось столетиями до XX века. Это открытие совершил Эдвин Хаббл на основании эффекта Доплера (красное смещение).
Чтобы наглядно представить эффект Доплера, прислушайтесь к проезжающему мимо вас автомобилю. Когда он приближается, звук его двигателя кажется громче, что соответствует более высокой частоте звуковых волн; когда удаляется, звук двигателя кажется более низким, что соответствует более низкой частоте звуковых волн. Аналогичное происходит со световыми волнами.
Величина красного смещения пропорциональна расстоянию — чем дальше галактика, тем быстрее она удаляется от нас. Все галактики имеют красное смещение. Это означает, что все они удаляются от нас. Следовательно, Вселенная расширяется.
Красное смещение: принцип действия
Однако долгое время считалось, что Вселенная стационарна. Главная теория, на которой строится современная космология, — Общая Теория Относительности, — предполагает, что Вселенная стационарна.
Теоретически доказать обратное смог Александр Фридман, что после экспериментально подтвердил своим открытием Эдвин Хаббл.
Модели Фридмана
На основе ОТО Альберта Эйнштейна Александр Фридман сделал два предположения:
- Вселенная выглядит одинаково при наблюдении в любом направлении;
- Это справедливо при наблюдении из любой точки пространства;
Благодаря этим предположениям были созданы модели Вселенной, которые можно разделить на два типа:
- Если средняя плотность вещества меньше или равна определённому критическому значению, то идея бесконечности Вселенной подтвердится. В этом случае её сегодняшнее расширение будет продолжаться вечно.
- Если средняя плотность больше критической, то создаваемое веществом гравитационное поле заставит Вселенную замкнуть саму себя. Она будет конечной, но неограниченной, как сферическая поверхность. Затем гравитационные поля остановят расширение Вселенной и заставят её перейти в состояние сингулярности.
Критическая плотность пропорциональна квадрату параметра Хаббла. Если взять значение 15 км/с на миллион световых лет, получится критическая плотность, равная 5×10^30 грамм на кубический сантиметр, или три атома водорода на тысячу литров космического пространства.
Современные модели Вселенной (космологические теории)
Ускорение расширяющейся Вселенной
Вселенная не просто расширяется — она расширяется с ускорением. Это открытие было сделано в конце 1990-х Солом Перлмуттером, Брайаном П. Шмидтом и Адамом Риссом при наблюдении сверхновых типа Ia. Яркость взрыва этих звёзд практически неизменна, поэтому по яркости света с Земли можно определить расстояние, на котором взрыв произошёл.
Другой способ определения расстояния — эффект Доплера (красное смещение). Результаты должны быть одинаковы, однако расстояние, вычисленное при помощи сверхновых Ia, превышало значение, определённое по методу красного смещения. Единственным объяснением было то, что Вселенная расширяется с ускорением.
На данный момент исследования в области космологии продолжаются. Одни учёные защищают бесконечность времени и пространства вселенной, другие — конечность. Но каким образом можно доказать истинность той или иной точки зрения?
Наиболее популярная модель нашей Вселенной, включающая темную энергию. Первые 6-7 млрд. лет галактики двигались с замедлением, далее вышли на равномерное, а затем ускоренное движение.
Можно ли доказать бесконечность Вселенной?
Первая попытка: космическое путешествие
Самый простой для понимания и сложный для исполнения способ — космическое путешествие. Для его представления следует сделать ряд допущений:
- Космический корабль должен двигаться со сверхсветовой скоростью (299 792 458 м/с) и иметь бесконечный запас топлива;
- Путешественник должен быть бессмертен и не иметь потребностей.
Если Вселенная бесконечна, то путешественник будет вечно двигаться на космическом корабле по бесконечному пространству. Он никогда не сможет понять, действительно ли бесконечен космос. Даже пройдя огромные расстояния, путешественник не сможет утверждать, что Вселенная не имеет края, ведь он попросту не осознает это. Проблема состоит в понимании бесконечности: трудно представить её теоретически и невозможно на практике — у неё нет аналога.
Вторая попытка: изучение Большого взрыва
Большой взрыв является общепринятой космологической моделью рождения Вселенной. Его исследование помогает открывать свойства современного космоса и, возможно, поможет найти ответ на интересующий нас вопрос. Однако доподлинно неизвестно, почему произошёл Большой взрыв — учёные не пришли к окончательному выводу.
Хронология Большого взрыва. Температура указана в кельвинах. Источник: starcatalog.ru.
Третья попытка: измерение плотности вещества
Как было сказано, если плотность вещества меньше или равна некоторому критическому значению, то Вселенная бесконечна. Если больше критического значения, то конечна. По сегодняшним данным наиболее вероятно, что плотность вещества меньше или равна критическому значению, следовательно, Вселенная плоская и бесконечна.
Однако существуют другие формы материи: тёмная материя и и экзотические формы материи, которые мы не можем наблюдать и исследовать. Они могут нарушить баланс, и значение плотности станет выше критического.
Сейчас учёные исследуют Вселенную, чтобы дать ответ на вопрос о её бесконечности. Возможно, этот ответ появится в ближайшее десятилетие, а пока что важно изучать имеющиеся данные.
Что почитать?
- Стивен Хокинг — «Краткая история времени», «Теория всего», «Краткие ответы на большие вопросы», «Кратчайшая история времени», «О вселенной в двух словах», «Природа пространства и времени»
- Стивен Вайнберг — «Гравитация и космология», «Первые три минуты», «Объясняя мир»
- Константин Циолковский — «Жизнь Вселенной»
- Нил Деграсс Тайсон — «Астрофизика с космической скоростью», «История всего. 14 миллиардов лет космической эволюции»
- Аристотель — «О небе»
- Джордано Бруно — «Пир на пепле», «О бесконечном, Вселенной и мирах».
- В.Н. Лукаш, Е. В. Михеева — «Актуальные проблемы космологии»
- Д. Шама — «Современная космология»
- Ф. Пиблс — «Физическая космология»
- Дэйв Голберг — «Вселенная в зеркале заднего вида»
Книги, которые стоит прочесть для понимания современных космологических теорий
Что посмотреть?
- «Удивительное путешествие от Земли до конца вселенной — живём ли мы в бесконечной вселенной?» — National geographic
- «Наша бесконечная Вселенная» — К.Р. Коллинз
- «Путешествие на край Вселенной» — National geographic
- «Телескоп Хаббл в 3D» — Тони Майерс
- «Бесконечная бесконечность» — BBC Horizon
- «Каковы размеры Вселенной» — BBC Horizon
Бесконечность Вселенной — FAQ
Это была информация о бесконечности Вселенной, известная на данный момент. Однако осталось несколько интересных вопросов:
Сейчас наиболее вероятно, что Вселенная бесконечна. Это подтверждают недавние исследования. Учёные с точностью до 1% смогли измерить дистанции между галактиками на расстоянии более 6 миллиардов световых лет от Земли, что позволило сделать вывод о модели Вселенной. Астрономы говорят, что их результаты согласуются и подтверждают теорию о плоской бесконечной Вселенной.
Пример с бессмертным космическим путешественником подтверждает, что участнику событий представить бесконечность невозможно, но наблюдатель сможет это сделать. Представьте отрезок, на одном конце которого ноль, а на другом единица, и попробуйте отметить ещё одно число в интервале между нулём и единицей. 0,5? Есть числа меньше. 0, 25? Ещё меньше. Это только рациональные числа. А если постепенно помещать на числовую прямую в этот интервал действительные числа — рациональные и иррациональные? Вы будете перебирать их вечно. Это и есть наглядная демонстрация бесконечности. Аналогичное происходит с бесконечной Вселенной.
Такая модель будет конечной, но неограниченной, как сферическая поверхность. Не будет условной стены или края: Вселенная будет замыкать саму себя. Если мы будем двигаться из определённой точки пространства в определённом направлении, рано или поздно мы вернёмся в эту точку.
Учёные считают, что ускорение расширяющейся Вселенной связано с воздействием на неё тёмной энергии.
Тёмная энергия — особый вид энергии, который невозможно обнаружить с помощью стандартных методов наблюдения. Считается, что тёмная энергия управляет процессами, происходящими во Вселенной. Однако сейчас она мало изучена, поэтому выводы делать рано.
Тёмная материя — особый вид материи, не взаимодействующий с электромагнитным излучением, поэтому названа «тёмной». Единственная сила, с которой взаимодействует тёмная материя, — гравитационная сила. Этот вид материи был обнаружен благодаря воздействию гравитации.
Вселенная расширяется достаточно медленно, вследствие чего гравитационное притяжение между галактиками замедляет его, а затем останавливает. После галактики начинают сближаться друг с другом, и Вселенная сжимается. Расстояние между двумя соседними галактиками сначала равно нулю, затем увеличивается до критического значения, а после снова равно нулю.
Вселенная расширяется настолько быстро, что гравитационное притяжение не может остановить его, лишь немного замедляет. Расстояние между двумя соседними галактиками сначала равно нулю, но в конечном счёте они разлетаются с постоянной скоростью.
Вселенная расширяется, и этой скорости достаточно для того, чтобы предотвратить сжатие. Расстояние между двумя соседними галактиками сначала равно нулю, оно постоянно растёт. В таком случае скорость разлёта галактик уменьшается, но никогда не будет равняться нулю.
Источник