Где находится вселенная: Что лежит за пределами наблюдаемой Вселенной

I. Где находится центр Вселенной?. Вселенная! Курс выживания [Среди черных дыр. временных парадоксов, квантовой неопределенности]

I. Где находится центр Вселенной?

Если вы хоть немного похожи на нас, то выросли с убеждением, что вы – центр Вселенной, и на первый взгляд наблюдения Хаббла подтверждают эту теорию. Кажется, что все галактики разбегаются от нас врассыпную (хорошо, если хотите, Вселенная расширяется вокруг нас), и напрашивается мысль, что мы выгодно отличаемся от иных прочих. Ведь если все галактики удаляются от нас, значит, мы находимся в центре, как же иначе?

Позвольте представить: тентакуляне, раса астрономов из галактики, которая находится в миллиарде световых лет от нашей. Один из величайших астрономов – создание по имени доктор Калачик. Хотите познакомиться с доктором Калачиком? К сожалению, вынуждены вас огорчить. Поскольку эта галактика находится в миллиарде световых лет от нашей, то даже если бы мы послали на Тентакулюс VII радиограмму и попросили доктора Калачика ответить, у самого доктора Калачика это вряд ли получилось бы из-за крайне преклонного возраста. Если бы вам очень повезло, вы бы получили ответ от его прапрапра (умножьте миллионов на 50) правнучки, и к тому времени, как она ответила бы вам и указала на ошибку, пройдет еще добрый миллиард лет (даже если она не станет тянуть с ответом, а тогда наши потомки для начала просто забудут, что мы пытались с кем-то там наладить радиосвязь. Так что лично познакомиться с доктором Калачиком мы не можем, поэтому не можем и спросить у него, что же он видит в телескоп.

На самом деле все еще сложнее – ведь Вселенная расширяется. Если мы отправим сигнал на Тентакулюс VII, он будет идти туда больше миллиарда лет – и еще дольше будет идти ответ. Это все равно что пытаться измерить угря. Пока берешь линейку, он извивается со страшной силой, а пока приложишь к линейке голову, понимаешь, что нулевая отметка совсем не там, где ты ее оставил.

Это ничего, мы все равно знаем, что видит доктор Калачик в телескоп. Он видит в точности то же самое, что и мы с Земли, – почти все галактики в небесах разлетаются от Тентакулюса VII, и чем дальше они находятся, тем быстрее, как представляется, летят. Шовинистически настроенные элементы на Тентакулюсе уже постановили интерпретировать эти наблюдения как несокрушимое доказательство того, что Тентакулюс – центр Вселенной.

Разве может быть так, что прав и доктор Хаббл, и доктор Калачик? Разве может быть так, что обе галактики находятся в центре Вселенной?

Представьте себе, что вы жарите оладьи с черникой. Эту добавку мы выбрали по двум причинам: во?первых, любим чернику, во?вторых, черничины, как и галактики, в процессе приготовления оладий сами по себе не расширяются. Когда тесто для оладий поднимается и расширяется, черничины начинают удаляться друг от друга. Если бы они были разумны, все и каждая из них думали бы одно и то же: все прочие черничины разбегаются от меня, а дальние движутся быстрее, чем ближние!»[95]

Это подводит нас к достаточно деликатному вопросу, который вам, вероятно, покажется знакомым, если вы вспомните главу 1. Если у всех во Вселенной складывается впечатление, что все остальные от них разлетаются, разве можно утверждать, будто кто-то вообще двигается?

По всей истории науки красной нитью проходит общая тема «антицентропупизма». Николай Коперник (в честь которого назван «принцип Коперника») доказал, что Земля – не центр Солнечной системы. В 1918 году Харлоу Шапли из Гарварда показал, что наша Солнечная система находится на глухой периферии галактики Млечный Путь – вопреки распространенному заблуждению. А теперь Хаббл (и доктор Калачик на своей планете) утверждают, что наша Галактика – вовсе не центр Вселенной!

Однако, как мы сказали, с уверенностью назвать себя центром Вселенной не вправе никто. Предлагаем вам аналогию: представьте себе, что вы муравей, живущий на поверхности воздушного шара. Когда шар надувается, вы видите, что все остальные муравьи разлетаются от вас все дальше и дальше.

Заядлый зануда нашел бы возражения против мира муравьев. Он бы сказал: «Минуточку! Я знаю, что если бы мир муравьев надувался, муравьи бы заметили! Ведь я же замечаю, когда моя мама, скажем, нажимает на педаль газа!» Да, это так, но в нашем случае муравьи ничего не замечают, потому что их вселенная расширяется в загадочном третьем измерении, которого они прямо не воспринимают[96].

Вероятно, мы движемся в четвертом пространственном измерении, которое отличается от привычной системы координат из трех пространственных осей и оси времени. Чуть ниже мы поговорим о том, возможно ли, что существуют и другие измерения, кроме трех, которые мы воспринимаем непосредственно. Вероятно, это как раз тот случай, когда аналогия заводит слишком далеко. По принятой сейчас стандартной космологической модели, мы не нуждаемся ни в каких измерениях, кроме трех известных (плюс время).

Данный текст является ознакомительным фрагментом.

I. Где находится центр Вселенной?

I. Где находится центр Вселенной?
Если вы хоть немного похожи на нас, то выросли с убеждением, что вы — центр Вселенной, и на первый взгляд наблюдения Хаббла подтверждают эту теорию. Кажется, что все галактики разбегаются от нас врассыпную (хорошо, если хотите, Вселенная

V. Где же находится все вещество?

V. Где же находится все вещество?
Незачем пытаться взвесить всю Вселенную — достаточно найти способ точно вычислять вес отдельных галактик, и дело в шляпе. Как вам такая мысль: посчитать, сколько в галактике звезд, и предположить, что все они примерно похожи на Солнце. В

5. Расширение вселенной

5. Расширение вселенной
Тем временем в конце 1960-х нас снова ожидал кризис, хотя и гораздо менее драматичный, чем злополучное знакомство Роберта с эффектами лекарств. Членство Стивена в колледже в качестве научного сотрудника подходило к концу, и так как один раз срок уже

9. Происхождение Вселенной

9. Происхождение Вселенной
Вопрос о происхождении Вселенной немного схож с самой древней проблемой: что появилось сначала – курица или яйцо? Другими словами, какая сила создала Вселенную и что создало эту силу? Или, возможно, Вселенная или создавшая ее сила существовали

21. Насколько велика Луна и как далеко она находится?

21. Насколько велика Луна и как далеко она находится?
Луна — наш ближайший космический сосед. Это также наш единственный естественный спутник и единственное небесное тело, на котором побывали люди.Среднее расстояние Земля — Луна (центр — центр) составляет 384 400 км. Если

52 Как далеко от нас центр грозы?

52
Как далеко от нас центр грозы?
Была такая шутка. Мальчик спрашивает папу: почему мы сначала видим молнию, а уже потом слышим звук? Папа отвечает: это потому что глаза находятся впереди ушей!Конечно, это шутка. На самом деле так все происходит вот почему. Свет «бежит» по

54 Как найти центр тяжести

54
Как найти центр тяжести
Для опыта нам потребуется: обыкновенная палка.
Мы уже знаем правило: чтобы стабилизировать, выровнять полет предмета, надо, чтобы его центр аэродинамического давления находился сзади центра тяжести. Но как быстро найти центр тяжести у палки,

Центр тяжести

Центр тяжести
Все частички тела обладают весом. Поэтому твердое тело находится под действием бесчисленного количества сил тяжести. При этом все эти силы параллельны. Если так, то их можно сложить по правилам, которые мы только что рассматривали, и заменить одной силой.

Центр инерции

Центр инерции
Вполне законно задать вопрос: где находится центр тяжести группы тел? Если на плоту много людей, то от места нахождения их общего центра тяжести (вместе с плотом) будет зависеть устойчивость плота. Смысл понятия остается тем же. Центр тяжести есть точка

V. Где же находится все вещество?

V. Где же находится все вещество?
Незачем пытаться взвесить всю Вселенную – достаточно найти способ точно вычислять вес отдельных галактик, и дело в шляпе. Как вам такая мысль: посчитать, сколько в галактике звезд, и предположить, что все они примерно похожи на Солнце. В

как возникла Вселенная и какое будущее нас ожидает — T&P

В 1926 году ученые поняли, что наша Галактика — не единственная во Вселенной, а спустя еще несколько лет Вселенная вдруг перестала быть статичной и вечной: оказалось, что она расширяется. Но какое будущее в таком случае ее ожидает? Возможно ли, что Вселенная возникла просто так из ничего? О том, к каким выводам пришла современная наука, рассказал известный американский ученый, физик и специалист в области космологии Лоуренс Краусс.

T&P сделали конспект его лекции.

Лоуренс Краусс

Американский физик, специалист в области астрофизики и космологии

Какой формы Вселенная?

Сегодня с помощью телескопа «Хаббл» мы можем увидеть более 100 миллиардов галактик, и в каждой из них, возможно, сотни миллиардов звезд. Но как все это возникло? Почему есть нечто, а не ничто? Это основной вопрос для многих религий. Кажется, что такую огромную Вселенную кто-то должен был создать, что нельзя все это получить из ничего. Я хочу рассказать, почему это не так, почему все эти галактики и звезды могут возникнуть просто благодаря законам физики.

В 1926 году Эдвин Хаббл узнал, что наша Галактика — не единственная во Вселенной. А спустя еще три года он понял, что другие галактики отдаляются от нас. После этого поразительного открытия сразу стало казаться, что мы в центре Вселенной. Однако наблюдения Хаббла говорят о другом: Вселенная расширяется — неважно, из какой галактики вы за этим наблюдаете.

До 1929 года наука считала, что Вселенная статична и вечна. Но коль скоро теперь мы поняли, что она движется, то мы можем узнать, что было с ней в прошлом. У всех галактик единое начало: около 13,8 миллиарда лет назад все они были в одной точке, которую мы называем Большим взрывом. Но что станет с галактиками в будущем? Бесконечно ли расширение? Это вопрос, из-за которого я начал заниматься космологией и вообще пошел в физику.

Есть три варианта геометрии нашей Вселенной: она может быть закрытой, открытой или плоской. Имеется в виду не форма самой Вселенной, а то, как в ней выглядит плоскость, сравнимая с размером самой Вселенной. Например, если нарисовать сколь угодно большой треугольник в плоской Вселенной, то сумма его углов будет равна 180 градусам. В открытой Вселенной линии, по которым движется свет, изгибаются, поэтому сумма углов треугольника будет меньше 180 градусов. А в закрытой Вселенной сумма его углов, наоборот, будет больше 180 градусов.

Согласно теории относительности, закрытая Вселенная будет расширяться, а затем сжиматься обратно и в конце концов схлопнется, открытая Вселенная будет расширяться бесконечно, а плоская сначала будет расширяться, а затем очень постепенно замедлится и остановится. Если мы сможем определить, в какой Вселенной живем, то узнаем и наше будущее. Но как это сделать?

Темная материя

Геометрия Вселенной связана с плотностью ее вещества: если она больше определенного значения (5,5 атома водорода на кубический метр. — Прим. T&P), Вселенная закрытая, если меньше — открытая, а если равна — плоская. Соответственно, если Ω — отношение плотности Вселенной и критической плотности — больше единицы, то Вселенная закрытая, если меньше — открытая, а если равна — плоская.

В 1936 году Альберт Эйнштейн опубликовал в журнале Science статью («Линзоподобное действие звезды при отклонении света в гравитационном поле». — Прим. T&P), в которой писал, что раз пространство искривляется из-за гравитации и есть такие тяжелые объекты, как звезды, то свет, находящийся за звездой, обходит мешающие ему объекты, а пространство может выступать в роли линзы. Он пришел к этим выводам еще в 1914 году, но забыл о них, потому что считал, что это не так важно. На самом деле феномен гравитационной линзы, конечно, крайне важен.

Вследствие явления, описанного Эйнштейном, мы можем видеть на изображении выше не только отдельные галактики и их скопления, но и множественные изображения одной и той же галактики. Свет от этой галактики прошел через другую галактику, попал в гравитационную линзу и был искажен.

Мы также можем подсчитать массу галактики, которая так сильно исказила свет. Эту сложную задачу, математическую инверсию, ученые решили в конце 1990-х годов. Они получили диаграмму распределения масс, на которой галактики обозначены пиками, — но присутствуют также пики там, где галактик вроде бы не видно. Это невидимая материя, которой в 40 раз больше, чем видимой, а раз она невидима и не сияет, то ее назвали темной. Оказалось, что в галактиках гораздо больше темной материи, чем материи самих галактик.

Темная материя состоит не из обычных протонов и нейтронов, а из других элементарных частиц. Она везде, а раз так, мы можем провести эксперимент здесь, на Земле, чтобы ее найти. Можно попробовать зафиксировать взаимодействие какой-нибудь массивной темной частицы с обычной частицей. Этому мешает естественный радиационный фон, поэтому такие эксперименты проводятся глубоко под землей. В качестве мишеней используются кристаллы кремния или германия, охлажденные до 0,001°C. Такие детекторы расположены в разных частях земного шара, но пока что они не зафиксировали ничего, что можно было бы однозначно трактовать как темную материю. Можно еще попробовать создать темную материю в лабораторных условиях — для этого у нас есть Большой адронный коллайдер. Но сейчас для нас важнее не из чего состоит темная материя, а сколько она весит — коль скоро она составляет бóльшую часть массы Вселенной.

Глядя на диаграмму выше, мы можем подсчитать общую массу, массу видимых галактик и массу темной материи. Однако все обнаруженные учеными массы составляют только 30% массы, необходимой, чтобы Вселенная была плоской. Можно было бы сделать вывод, что наша Вселенная открытая и будет расширяться бесконечно. Но здесь есть подвох: все эти подсчеты касаются только галактик и их скоплений. А то, что находится между ними, мы взвесить не можем. Так что нам нужен какой-нибудь другой объект для измерения.

Геометрия Вселенной

Когда мы глядим на Вселенную, то чем дальше смотрим, тем в более глубокое прошлое заглядываем. Можно было бы предположить, что где-то там виден и Большой взрыв, — но между нами и Большим взрывом стена. В самом начале Вселенная была настолько жаркой и плотной, что свет не мог покинуть ее. Потом Вселенная постепенно охлаждалась и, когда ей было 379 тысяч лет, стала электрически нейтральной (замедлившиеся электроны начали соединяться с протонами и альфа-частицами, образуя атомы водорода и гелия. — Прим. T&P) и прозрачной. Этот момент — самая ранняя точка, которую мы видим, оглядываясь назад во времени. Вот так она выглядела (это проекция Мольвейде, которая также часто используется в картографии):

Реликтовое излучение, которое фиксируют детекторы, находящиеся на Земле, исходит от условной поверхности последнего рассеяния, которое видится нам как окружающая нас на очень далеком расстоянии сфера. На этой поверхности видны более горячие участки — там, где 379 тысяч лет назад были сгустки материи. Мы знаем их максимально возможный размер (он зависит от скорости гравитации, а ее значение равно скорости света) — 100 млн световых лет. Сравнивая эти цифры с тем, что мы наблюдаем, можно сделать вывод о том, в какой Вселенной мы живем: в закрытой Вселенной сгустки из-за искривления пространства казались бы нам меньше, чем на самом деле; в открытой — больше, а в плоской Вселенной никаких искривлений нет и сгустки выглядели бы на свои 100 млн световых лет.

Данные, полученные в ходе эксперимента BOOMERanG (Balloon Observations Of Millimetric Extragalactic Radiation and Geophysics — «Аэростат для наблюдения миллиметрового внегалактического излучения и геофизических исследований». С помощью аэростатов радиотелескоп поднимался на высоту 42 тысячи метров, где мог фиксировать реликтовое излучение без потерь, в то время как в атмосфере оно поглощается микроволнами. — Прим. T&P), соответствуют расчетам и не выявляют никакого искривления пространства. С вероятностью 99% мы живем в плоской Вселенной.

Но возникает противоречие: для плоской Вселенной, как я уже говорил, мы видим слишком мало вещества — всего 30% от необходимой массы. Где же могут быть оставшиеся 70%?

Энергия пустого пространства

В пустом пространстве, в ничто. Звучит, конечно, глупо, но пустое пространство не такое уж и пустое. Вот так выглядит то, что происходит внутри протона: постоянно что-то бурлит, появляются и исчезают различные частицы:

Мы не «видим» их, потому что они возникают на очень непродолжительное время, но при этом они составляют основную часть массы протона. А раз так, то, возможно, они появляются в открытом пространстве и дают какую-то энергию. Может быть, вакуум тоже что-то весит?

Еще когда я учился в университете, было предположение, что энергия вакуума — это единица со 120 нулями, но этого просто не может быть: будь это так, Вселенная была бы другой и нас бы просто не существовало. Мы ждали какого-то математического чуда, которое бы позволило нам сократить это число; предполагали даже, что энергия пустого пространства равна нулю. А затем решили не полагаться на теоретиков: если у пустого пространства есть энергия, ее можно измерить. Но как?

Гравитация в большинстве случаев притягивает объекты друг к другу, но вакуум создает антитяготение. Чтобы рассчитать его, необходимо понять, расширяется ли наша Вселенная с ускорением или с замедлением. Первые попытки определить это сделал Эдвин Хаббл в 1929 году, но сейчас мы знаем, что его расчеты были неверны из-за того, что, в частности, не учитывали эволюцию галактик и связанные с ней изменения светимости. Так что нам нужны были какие-то другие объекты с известной яркостью.

Это изображение галактики, расположенной в 7 млн световых лет от нас. В левом нижнем углу виден яркий объект — можно предположить, что в кадр случайно попала звезда из нашей Галактики, но нет: это сверхновая, которая светится как сто миллиардов звезд. Потом она тускнеет, но в первый месяц она светится с яркостью, которая нам известна. Сверхновые появляются в Галактике примерно раз в сто лет. Можно выдать каждому студенту по галактике, и пусть постоянно смотрит на нее — за сто лет как раз напишет диссертацию. Но на самом деле галактик очень много: если соединить пальцы в кружок размером с пятирублевую монету и посмотреть через него на небо, в этом кружочке будут сотни галактик. А значит, в небе постоянно взрываются сверхновые, так что мы легко можем использовать их, чтобы рассчитывать расстояния до отдаленных галактик и скорости, с которыми эти расстояния увеличиваются. Эти расчеты были проведены в 1998 году, и результатом стал вот такой график:

Если бы темпы расширения Вселенной были одинаковыми, то в его нижней части была бы просто прямая линия. Астрономы ожидали, что все сверхновые будут либо на этой линии, либо ниже. Но большая часть таких звезд оказалась выше линии — это могло быть только в том случае, если бы темпы расширения Вселенной увеличивались.

А чтобы Вселенная расширялась, нужно как раз столько энергии, сколько нам не хватало, — те самые 70%. Тогда все сходится. В 2011 году Нобелевскую премию по физике получили ученые, обнаружившие, что

Вселенная расширяется с ускорением, а большая часть массы находится в пустом пространстве. И мы понятия не имеем, как это возможно.

Вероятно, это как-то связано с самой природой пространства и времени и причинами возникновения Вселенной. Но теперь понятно, что ее будущее будет определяться не материей и даже не геометрией, а энергией пустого пространства.

Много шума из ничего

Что будет, если подбросить монетку? Скорее всего, она упадет, но если забросить ее достаточно далеко, она улетит и не вернется. Энергия подброшенной монетки складывается из двух величин: «положительной» кинетической энергии T = mv²/2 (где m — масса монетки, а v — скорость ее движения. — Прим. T&P) и «отрицательной» силы гравитационного притяжения U = –GMm/R (где G — гравитационная постоянная, M — масса Земли, а R — расстояние между центрами масс Земли и монетки. — Прим. T&P). В итоге все сводится к своего рода бухгалтерскому учету: если вторая величина больше первой, монетка упадет на землю, если наоборот — улетит. И если мы можем сделать подобные расчеты для монетки, значит, можем сделать их и для всей Вселенной.

На этом изображении — происхождение Вселенной:

Со всеми галактиками происходит примерно одно и то же, так что, чтобы определить их будущее, достаточно определить будущее одной из галактик — например, той, которая обозначена вопросительным знаком. Как и в случае с монеткой, энергия, с которой она движется, определяется кинетической энергией и гравитационным притяжением. Если первая больше второго, Вселенная будет расширяться бесконечно; если второе больше первой, Вселенная в конце концов схлопнется.

Оказывается, соотношение этих двух величин и есть та самая Ω, про которую мы говорили в начале (отношение плотности Вселенной к критической плотности). Мы уже знаем, что живем в плоской Вселенной, значит, Ω = 1. Следовательно, энергия, с которой Галактика удаляется от центра Вселенной, равна энергии, которая тянет ее обратно, — и это касается всех галактик во Вселенной. Получается, что их суммарная энергия равна нулю — вот что случается, если вы создаете Вселенную из ничего.

Возникнуть и не пропасть

Мы уже выяснили, что пустое пространство, которое мы сейчас наблюдаем во Вселенной, не такое уж пустое: в нем постоянно что-то бурлит, возникают и исчезают виртуальные частицы. Но откуда взялось то ничто, из которого появляются эти частицы, откуда взялось само пространство? Оказывается, при совместном действии квантовой механики и гравитации могут появляться не только частицы в пространстве, но и само пространство.

Вселенная может просто взять и появиться.

Ранее мы выяснили, что спонтанно появиться из ничего может только Вселенная, у которой общая энергия равна нулю, а это закрытая Вселенная. А еще раньше — что наша Вселенная плоская. Возникает противоречие.

Представьте себе воздушный шарик: если надуть его очень сильно, его поверхность будет казаться плоской, как кажется плоской круглая Земля (особенно если наблюдать ее где-нибудь в тундре). Если Вселенная с первых мгновений своего существования будет очень быстро расширяться, с ней произойдет то же самое — она возникнет как закрытая, а через 14 миллиардов лет станет плоской. Это резкое расширение — инфляция — описывается инфляционной моделью, которая была предложена в 1981 году физиком Аланом Гутом. Вот она на графике:

Но как доказать, что инфляция действительно имела место?

Еще в 1916 году Эйнштейн пришел к выводу, что, перемещаясь в пространстве, мы создаем гравитационные волны, так называемую рябь пространства-времени. Каждый раз, когда я двигаю рукой, появляются гравитационные волны, распространяющиеся со скоростью света. Но рябь настолько незначительна, что мы ее не замечаем. В обсерваториях в Вашингтоне и Луизиане (лазерно-интерферометрических гравитационно-волновых обсерваториях LIGO. — Прим. T&P) есть специальные детекторы, позволяющие улавливать гравитационные волны. Впервые это удалось сделать в сентябре 2015 года, когда произошло слияние двух черных дыр. За это открытие в 2017 году ученые получили Нобелевскую премию по физике.

Но это значит, что такое событие, как инфляция, также должно было породить гравитационные волны, и, если мы их обнаружим, мы подтвердим и правильность инфляционной модели (их поиском занимаются ученые в рамках серии экспериментов BICEP2. — Прим. T&P). А это будет значить, что наша Вселенная действительно могла быть произведена из ничего.

Если мы действительно находимся во Вселенной, расширяющейся с ускорением, то объекты, которые мы сейчас видим, вскоре будут находиться от нас на огромном расстоянии.

Сотни миллиардов галактик, которые мы сейчас видим, будут отдаляться от нас со скоростью больше скорости света, и мы окажемся в этом темном пустом пространстве одни. В начале было ничто, и в конце тоже будет ничто.

Мы еще не доказали, что это так, но это очень вероятно. И мне нравится эта вероятность: каждый раз, когда можно избавиться от божественного вмешательства и объяснить все с точки зрения физики, мы делаем шаг вперед. Помимо нашей Вселенной, могут существовать или прямо сейчас создаваться и другие, где действуют другие законы. Мы, люди, крайне неважная часть Вселенной, мы шум, загрязнение на ее фоне. Если вам это не нравится, возможно, вас утешит высказывание Эйнштейна:

«Самая прекрасная эмоция, которую нам дано испытать, — ощущение тайны. Это основополагающая эмоция, стоящая у истоков всякого истинного искусства и науки».

Вселенная была создана не для нас, она была просто создана. Вселенной на нас наплевать. Мы сами наполняем нашу жизнь значением и смыслом.

Вопросы и ответы

— У меня вопрос об инфляции. Вы сказали, что ее предсказали физики, которые занимаются физикой частиц. А какое отношение инфляция пространства имеет к физике частиц?

— Физика частиц говорит о том, что ранняя Вселенная претерпела переход из одного фазового состояния в другое. Когда происходит этот фазовый переход, выделяется огромное количество энергии, что и привело к инфляции.

— Предположим, что темная материя окажется все-таки частицей и мы сможем ее найти. Не окажется ли тот фундамент, на котором построена вся современная физика, ложным?

— Физика элементарных частиц предсказывает наличие большого количества различных частиц. И открытие каждой новой частицы выводит стандартную модель за прежние границы. Если мы сможем найти темную материю — да, многие наши идеи окажутся неверными, и нам придется продумать и разработать новые законы. Но ученые готовы ошибаться. Многие из нас ходят на работу для того, чтобы доказать, что другие ученые ошибаются, — именно так и приходит известность.

— Понятно, какими могут быть границы у закрытой Вселенной. Но мне не совсем понятно, какие границы у плоской Вселенной, в которой мы находимся.

— У закрытой Вселенной нет границ. Возьмите воздушный шарик, нарисуйте на нем несколько точек и надувайте. Вселенная похожа на поверхность этого шарика: она не имеет границ, при этом расширяется так, что расстояние между точками постепенно увеличивается.

— У меня вопрос, который возник при чтении книг Ричарда Докинза. Наш мозг эволюционно запрограммирован не для того, чтобы понимать Вселенную, а для того, чтобы решать бытовые вопросы. Не боитесь ли вы того, что в какой-то момент наука столкнется с границами возможностей мозга?

— Может быть. Но я не боюсь. Так же, как я не боюсь жить в этой Вселенной, у которой нет никакого назначения. Да, могут быть какие-то ограничения у человеческого мозга, но мы не узнаем наверняка до тех пор, пока не попробуем. Именно поэтому нужно постоянно пытаться. И, как я понимаю, у нас пока не получилось уткнуться в какую-то стену. Может быть, у вас будут какие-то сложности, но ваши дети и внуки смогут преодолеть их. Мы постоянно идем дальше, мы постоянно преодолеваем эти границы. Наука именно тем и занимается, что выходит за границы.

Может быть, не очень по теме, но одна из причин, по которой я занимаюсь квантовыми компьютерами и искусственным интеллектом, в том, что, может быть, они смогут объяснить нам то, что сами мы понять не можем. Многих пугает искусственный интеллект, но я думаю, что он сможет стать лучшим физиком, чем мы.

— В какой роли вы видите искусственный интеллект в вашей области?

— Понятия не имею. Я не прогнозирую ближе чем на 2 трлн лет. Каким будет будущее с искусственным интеллектом, зависит от нас. Мы должны думать о возможностях и быть готовыми к ним. Один из вариантов — что мы останемся без работы. Но зато мы сможем бесконечно ходить на научные конференции и слушать музыку. Я в данном случае пессимистически настроен, поскольку, честно говоря, не очень верю в человечество. Но посмотрим, что будет. Мы еще можем подготовиться.

— Возможно ли доказать, что мы живем в компьютерной симуляции?

— Очень многие задают этот вопрос. Ответ: скорее всего, нет.

Во-первых, компьютерная симуляция никогда не является идеальной. Есть битые пиксели, в которых не работают законы природы. Но мы такого не видим. Может быть, в голове у президента Трампа есть такие пиксели, но в большинстве остальных случаев таких пикселей не наблюдается. Все работает согласно законам природы.

Во-вторых, говоря о том, что мы внутри симуляции, мы должны задать вопрос: что нас создало? А наших создателей? Идея, что наше существование — это компьютерная симуляция, — просто еще одна версия вопроса о том, кто создал Вселенную.

Но мне как физику вообще неважно, в симуляции я или нет, — мне интересно, по каким законам она создана.

Если вы хотите доказать, что наш мир — симуляция, ищите баги в программе. Может быть, в будущем мы их найдем, пока — нет.

— Вселенная расширяется. Бесчисленное количество космических объектов отдаляются от нас все быстрее и быстрее. Значит ли это, что наши шансы найти в этой Вселенной другие цивилизации все уменьшаются и уменьшаются?

— Во-первых, до того, как другие галактики окончательно пропадут из виду, у нас еще 2 трлн лет — за это время можно найти внеземную цивилизацию. Во-вторых, даже через 2 трлн лет у нас будет наша Галактика — потому что сами галактики не расширяются.

— Если все появилось из ничего, каким образом 13 млрд лет назад это ничто решило сделать Большой взрыв? И почему Большой взрыв не происходит сейчас?

— Ответ на первый вопрос — я не знаю. Именно поэтому я занимаюсь наукой.

Что касается второго вопроса. Большие взрывы могут происходить прямо сейчас, в других пространствах. Прямо перед вами может появиться пространство, но оно очень быстро будет отделено от нашей Вселенной. В мультивселенной постоянно могут происходить большие взрывы, появляться и схлопываться вселенные.

— Не конфликтует ли то, о чем вы нам рассказали, с законом сохранения энергии?

— Честно говоря, не конфликтует. Если посмотреть на сотни миллионов звезд и галактик, то в них очень много энергии. Но нужно просто добавить в это уравнение гравитационное притяжение, и общая результирующая энергия всей нашей Вселенной, всего вещества, будет равна нулю. Таким образом, энергия сохраняется. Поразительно, да?

— Можно ли создать модель такой вселенной, законы физики в которой были бы невозможны в нашей Вселенной?

— Я именно этим чаще всего и занимаюсь. Я физик-теоретик, я постоянно создаю модели, которые описывают разные вселенные. Нужно понимать, что в большинстве случаев я ошибаюсь. У меня были потрясающе красивые, очень хорошие теории, которые оказались неверными. Но, может быть, раз в жизни я случайно окажусь прав (как это было с идеей, что Вселенная расширяется с ускорением).

Поиск важнее, чем сама реальность. Наша жизнь похожа на миф о Сизифе, у нас нет выбора. Мы можем впасть в депрессию — а можем наслаждаться поиском.

— Если в разных вселенных образуются разные законы физики, существует ли какой-то высший закон физики над ними всеми, по которому образуются эти разные законы?

— То есть метазаконы? Может быть. Кто знает… Это возможно. В каких-то теориях, например теории струн. Но сейчас нет доказательств. Может быть, там действуют законы математики. Я не знаю, чего ожидать. Но это не доказывает, конечно же, существование какого-либо бога.

— Вы живете в стране, где политику нежелательно признаваться в том, что он атеист, для того чтобы не потерять рейтинг. А мы живем в стране, где около 70–80% людей считают себя людьми религиозными, ничего не знают и знать не хотят про теорию Большого взрыва. Как вы считаете, что должно произойти, для того чтобы расстановка сил в мире поменялась?

— Честно говоря, мне без разницы, религиозны люди или нет. Когда я вижу людей, которые считают, что миру 5 или 6 тысяч лет, я не считаю, что они глупы. Мне кажется, им просто не хватает знаний. Людям старшего поколения уже поздно меняться, но я надеюсь на молодых людей. Я хочу, чтобы молодые люди думали, а не только чувствовали. И дело даже не в фактах, потому что факты вы в большом количестве найдете в своем смартфоне — но они могут быть неверными. Самое важное — научить людей задавать вопросы и отличать истинное от ложного. Я думаю, преподавание наук в школе побуждает молодых людей к этому.

— Учитель физики в школе говорил мне, что спрашивать, чтó было до Большого взрыва — это как бы моветон, потому что в точке сингулярности не действуют законы физики. Он говорил, что все будут смеяться, если я кого-то спрошу об этом. Но при этом всю лекцию вы только об этом и говорили. Поэтому у меня вопрос: ограниченны ли вообще возможности человеческого познания?

— Вопрос хороший, но ответ вам не понравится. Нет никакого «до», потому что само время возникло во время Большого взрыва. Это очень сложно представить. Но вопрос «Что было до Большого взрыва?» может просто не иметь значения. И нашему сознанию, может быть, не хватает возможностей для того, чтобы понять этот вопрос и ответить на него.

Но я бы хотел, чтобы вы продолжали задавать вопросы и поражаться Вселенной такой, какая она есть. Неважно, если вы понимаете не все. Цените ее за то, что она больше, чем вы можете понять. Нужно постоянно смотреть вперед, потому что Вселенная нас может очень многому научить.

Литература

• Краусс Л. Все из ничего. М.: Альпина нон-фикшн, 2019.

• Краусс Л. Страх физики. Сферический конь в вакууме. СПб.: Питер, 2016.

• Краусс Л. Почему мы существуем? Величайшая из когда-либо рассказанных историй. М.: Альпина нон-фикшн, 2018.

• Краусс Л. Вселенная из ничего. Почему не нужен Бог, чтобы из пустоты создать Вселенную. М.: АСТ, 2016.

• Lens-Like Action of a Star by the Deviation of Light in the Gravitational Field. Albert Einstein Science, New Series, Vol. 84, No. 2188. (Dec. 4, 1936), pp. 506–507.

Благодарим Марию Ломаеву за помощь в подготовке конспекта.

Мы публикуем сокращенные записи лекций, вебинаров, подкастов — то есть устных выступлений. Мнение спикера может не совпадать с мнением редакции. Мы запрашиваем ссылки на первоисточники, но их предоставление остается на усмотрение спикера.

НАШ ДОМ — ВСЕЛЕННАЯ

НАШ ДОМ — ВСЕЛЕННАЯ

Б.И.Лучков,
МИФИ, г. Москва

Вот дом, который
построил Джек.
Англ. народная песенка.  Пер. С.Маршака

Как точно написать
свой адрес?

Сначало просто: квартира, дом,
улица, город, страна. Потом, чуть подумав: планета
Земля, звезда Солнце, галактика Млечный Путь.
Далее (по мере укрупнения масштаба и фантазии):
Местное скопление галактик, Сверхскопление в
созвездии Дева, Вселенная (она же Метагалактика).
Все. Только одно замечание: написав слово
«Вселенная» с большой буквы, мы допустили
существование множества других вселенных,
составляющих что-то еще более крупное, чему пока
нет названия. Однако мы никогда не сможем войти в
контакт с ними ввиду конечной скорости
распространения сигналов и ограниченного
возраста нашей Вселенной. Включать их в адрес
совершенно бесполезно.

Можно надеяться, что письмо с
таким адресом дойдет по назначению, пройдя все
указанные пункты.

Видимая Вселенная

Каждый, конечно, хорошо знает
свой дом, улицу, город, страну. Наверное, Земля и
Солнце тоже достаточно знакомы. А вот
представления о Галактике (Млечном Пути),
возможно, нуждаются в уточнении. Упомянутая
впервые английским астрономом В.Гершелем,
создававшим в XVIII в. самые большие в мире
телескопы, Галактика представляет собой
совокупность звезд, планетных систем, газа и
пыли, удерживаемых вместе гравитационными
силами. Млечный Путь – большая галактика (1012
звезд) с четырьмя спиральными рукавами,
выходящими из центральной области, где находится
ядро Галактики, объект не совсем понятной
природы, возможно, очень массивная черная дыра.
Большинство звезд сосредоточено в тонком диске
(отношение радиус/толщина = 100 : 1), заметно
утолщенном в центре, – молодая часть
галактического населения, участвующая в общем
вращении периодом 250 млн лет. Старая популяция –
маломассивные звезды, шаровые звездные
скопления – заполняет более обширную область –
гало Галактики, по форме напоминающую сплюснутый
эллипсоид с заметной концентрацией объектов к
центру. На рис. 1 Галактика показана так, как она
может быть видна с большого расстояния в
телескоп другой разумной цивилизации.

Наше место в Галактике отнюдь
не центральное (что надо признать большой
удачей). Солнечная система находится
приблизительно на половине расстояния от центра
до края диска (точный радиус равен 8 кпк) и почти в
середине диска по высоте. Удача, главным образом,
в том, что здесь плотность звезд мала, их
столкновения редки, а поля излучения (от
радиоволн до жесткого рентгена) не очень опасны.
Жизнь и возникает там, где ей меньше угроз: вряд
ли приспособлена для обитания центральная часть
Галактики, где много ярких переменных звезд и
таких монстров, как нейтронные звезды и черные
дыры. Солнце – небольшая, спокойная, достаточно
щедрая на свет и тепло звезда, весьма удобная для
жизни рядом с ней, в чем нам тоже сильно повезло.

Галактики часто под действием
гравитационных сил образуют различные по форме
скопления (кластеры галактик). Млечный Путь
вместе с двадцатью галактиками, ближайшие из
которых – его сателлиты (Большое и Малое
Магеллановы Облака и ряд других карликовых
галактик), образуют Местный кластер. Он, в свою
очередь, входит в состав большого
Сверхскопления, центром которого является
активная галактика Дева-А и которое насчитывает
более тысячи галактик, расположенных в радиусе 30
Мпк. Местный кластер находится где-то на краю
Сверхскопления.

Более крупных единиц, чем
сверхскопления, не обнаружено. Видимо, на этом
иерархия структур заканчивается, так что
Вселенная, на первый взгляд, состоит из скоплений
и сверхскоплений галактик и пустого
пространства между ними. Что-то вроде большого
водоема, в котором взвешены и неспешно движутся
«комки» вещества, разные по форме и размерам.
Этот космический водоем, добавим, не так уж
сильно богат веществом – расстояния между
«комками» много больше их собственных размеров.

Такая картина, представшая в
середине XX в., казалась естественной и вполне
согласующейся с представлением о нашей
Вселенной, появившейся приблизительно 15 млрд лет
назад. Она однородна и изотропна, равномерно
расширяется: расстояния между скоплениями
растут, в ее большом масштабе действует только
одна сила притяжения, заставляющая вещество
скучиваться в «комки» – галактики и их
скопления. Однако точные наблюдения показали,
что скопления галактик распределены в
пространстве далеко не равномерно.

Ячеистая
структура Вселенной

Рис. 1. Вид галактики Млечный Путь сбоку: видны
дисковая (молодая) и квазисферическая (старая)
популяции звезд

Прогресс наблюдательных
средств астрономии происходит непрерывно.
Растут размеры телескопов (уже достигли 15 м в
диаметре зеркала). Совершенствуются приемники
света – теперь это не фотопластинки, а
ПЗС-матрицы, обладающие большими
чувствительностью и точностью изображения.
Улучшается разрешающая способность
спектрометров – главных поставщиков сведений об
изучаемых объектах. Многочисленны достижения
техники проведения наблюдений. Компьютерная
революция произвела переворот в средствах сбора,
обработки и хранения информации. К этому надо
добавить, что центр интереса определенно
сместился в область внегалактической
астрономии, к изучению все более далеких миров.

лых ядер синтез не дошел из-за
быстрого остывания разлетающегося вещества (он
получил продолжение в звездах, где в течение
миллиардов лет поддерживаются десятки и сотни
миллионов градусов). Первичные дейтерий и гелий
сохранились до наших дней, что свидетельствует в
пользу Горячей Вселенной и господства излучения
на начальном этапе.

Анализ огромного массива
данных привел к представлению о том, что
Вселенная заполнена не равномерной «смесью»
скоплений галактик, а их «пеной», плотность
которой в отдельных местах очень велика, а в
других – практически нулевая. Другими словами,
Вселенная состоит из отдельных ячеек размером
50–150 Мпк, в местах пересечения стенок которых
(ребрах) галактики расселены очень плотно, а в
центральных областях почти отсутствуют (эти
ячейки называют войдами – от английского void
– лишенный, пустой). Никакими
статистическими флуктуациями ячеистая
структура не может быть объяснена. Она –
реальный факт, который отражает условия
возникновения первичных неоднородностей
вещества на ранней стадии Метагалактики. Таким
образом, наблюдения отвергают старые модели и
стимулируют поиски новых, в рамках которых
ячеистая структура Вселенной была бы так же
естественна, как шарообразная форма небесных тел
в ньютоновской теории тяготения.

Нестационарная
космология

Все попытки от Ньютона до
Эйнштейна создать теорию стационарного мира, как
известно, не дали результата. Мир упорно не хотел
быть устойчивым и неизменным. Самые важные
свидетельства этому, полученные из наблюдений, –
разбегание галактик (определяемое по красному
смещению линий в их спектрах) и тепловое
реликтовое излучение температурой Т = 2,7 К,
регистрируемое как изотропный радиофон.
Взаимное разбегание галактик – прямой результат
образования Вселенной в Большом Взрыве (Big Bang),
в котором она возникла 15 млрд лет назад, как
считают, из состояния с бесконечной плотностью.
Реликтовое излучение – это остывшее в
результате расширения тепловое поле Взрыва,
температура которого в начальный момент была
также бесконечной. Нестационарная космология,
пионерами которой были русские физики
Александр Фридман и Георгий Гамов,
основывается на постулате об однородном и
изотропном распределении вещества. В самом
простом представлении Вселенная, возникнув из
точечной сингулярности, во все эпохи
представляла собой расширяющийся шар вещества,
состав которого изменялся в соответствии с
уменьшающейся температурой излучения,
находящегося в термодинамическом равновесии с
веществом.

А.Фридман первым нашел три
возможных варианта нестационарной космологии. В
первом (модель открытой Вселенной) расширение
продолжается неограниченно долго, что вызвано
превышением энергии разлета вещества над
энергией его взаимного притяжения. Второй
(модель плоской Вселенной) представляет тот
редкий случай, когда указанные виды энергий в
точности совпадают. Тогда разлет вещества будет
также продолжаться, с тем только отличием, что
его скорость, уменьшаясь, стремится к нулю.
Третий (модель замкнутой Вселенной) дает
кардинально новое решение: расширение
остановится на некотором предельном радиусе,
после чего энергия сил притяжения, превышающая
энергию кинетического разлета, заставит
вещество сжиматься (галактики начнут сближаться,
будет наблюдаться синее смещение линий) вплоть
до возвращения в исходную сингулярность.

Г.Гамов дополнил
фридмановские модели учетом первичного нагрева
вещества, которое во всех вариантах обладает
определенной температурной зависимостью. Его
модель назвали моделью Горячей Вселенной,
получившей веское подтверждение открытием
теплового реликтового фона. Излучение
доминировало на начальных этапах жизни
Вселенной, определяя ее состав. Высокая
температура первых трех минут Большого Взрыва
благоприятствовала протеканию термоядерных
реакций синтеза, в ходе которых из первичной
смеси протонов и нейтронов образовались ядра
дейтерия (тяжелого водорода), гелия и, в малом
количестве, лития. До более тяже

Возникновение
структуры

Когда излучение доминирует,
вещество представляет собой плазму, состоящую из
протон-антипротонных пар в первые микросекунды,
электрон-позитронных пар через секунду и из
электронов и протонов (с примесью дейтронов и
ядер гелия) в течение миллиона лет. Излучение,
активно взаимодействующее с заряженными
частицами, ведет себя как вязкая среда, в которой
гасятся все движения частиц, в том числе
вызванные взаимным притяжением. Структурных
образований в плазме не возникает.

Но вот прошел миллион лет и
излучение остыло до 4000 К, что ниже потенциала
ионизации водорода. Ничто не мешает теперь
протонам и электронам объединяться, образуя
нейтральный газ (рекомбинация), к которому
остывшее излучение «теряет всякий интерес»,
проходя сквозь него без заметного
взаимодействия. Вот тут-то гравитация и
напоминает о себе, заставляя газ сжиматься.
Гравитационная неустойчивость вещества –
следствие действия одной только силы притяжения
– приводит к формированию всех видимых структур:
от астероидов до сверхскоплений галактик.

С чего начинался этот процесс
в первоначально однородном газе? Какие структуры
возникли первыми? Как они развивались и во что
перешли за миллиарды лет? Прямых ответов на эти
вопросы теория пока не дает. В соответствии с
рядом предложенных моделей рост первичных
структур был обусловлен гравитационной
неустойчивостью, при этом «центрами
конденсации» вещества служили случайные
уплотнения (флуктуации) среды. Раз возникнув, они
продолжали расти за счет новых порций
притягиваемого вещества, становясь большими
газовыми облаками. При этом были возможны
флуктуации двух типов: изотермические и
адиабатические. Первые, затрагивающие только
газ, должны были порождать облака умеренных
размеров, сравнимые с наблюдаемыми сейчас
шаровыми звездными скоплениями. Чтобы
образовать структуры типа галактик, таким
облакам надо укрупняться, соединяясь при
столкновениях. Как это происходило, не очень
понятно.

Второй тип флуктуаций мог
происходить одновременно в газе и излучении и
должен был приводить к появлению облаков
гигантских размеров и массы. Сталкиваясь, они
сжимали газ в тонких слоях контакта, образно
называемых блинами, где и возникали условия
для образования будущих структур. Модель блинов
развивала группа академика Я.Б.Зельдовича в
70-х гг. Открытие ячеистой структуры Вселенной во
многих чертах подтверждает эту модель: стенки
ячеек – это места первичных блинов, ребра
ячеек – их пересечения, а войды – межблинное пространство,
где не было требуемых условий роста структур.
Конечно, расмотренные модели весьма условны.

Скорее всего, природа
использовала флуктуации обоих типов, создавая
разномасштабные структуры. Но даже качественное
совпадение теории и наблюдений вселяет
уверенность в то, что ячеистая структура
Вселенной – не только наблюдательный, но и
вполне объяснимый познавательный факт.

Проблема скрытой
массы

Эту и без того непростую
картину Вселенной еще больше усложнили две
«горячие» проблемы. Первая, называемая проблемой
скрытой массы (или темной материи), занимает
ученых уже более 30 лет. Суть ее состоит в том, что
не все вещество во Вселенной заключено в звездах,
галактиках и их скоплениях, т.е. в объектах
светящихся и потому легко наблюдаемых. Гораздо
бо1льшая масса (по разным оценкам, от 5 до 10 раз)
оказывается невидимой. Вещество-неведимку не
разглядеть в телескопы, оно не «засвечивает»
себя в разных длинах волн, но достаточно надежно
обнаруживается через гравитационное
взаимодействие с окружающим обычным веществом,
влияя на его движение. Наблюдения показали, что
скрытая масса существует практически во всех
подструктурах – галактиках, скоплениях и
сверхскоплениях.

Кто скрывается за маской
темной материи, до сих пор не известно. Она может
быть как обычным веществом, но находящимся в
объектах очень слабой светимости (маломассивные
звезды в коронах галактик, нейтронные звезды,
холодные газовые облака), так и совершенно новым
видом материи, не участвующим ни в каких
взаимодействиях, кроме гравитационного.
Кандидатов современная физика подбрасывает
достаточно много: массивные нейтрино, новые
частицы и другие диковинки, вышедшие из-под пера
физиков-теоретиков. Раскрытие тайны невидимок, –
пожалуй, одна из самых захватывающих задач
современной физики и астрофизики.

Однако, кем бы ни была скрытая
масса, совершенно ясно, что ее влияние на
структуру и динамику Вселенной чрезвычайно
велико. Ведь именно гравитация определяет лицо
мира, его сегодняшнее поведение и будущее
устройство. Воздействие темной материи, в 10 раз
более сильное, чем всех видимых галактик и
скоплений, необходимо точно знать и учитывать в
космологических моделях.

Инфляционная эра

Вторая проблема – короткий,
но чрезвычайно важный этап жизни Вселенной,
получивший название инфляционной эры. Он
самый начальный и настолько мимолетный – всего
10–32 с (!), – что, казалось бы, мог пройти
незамеченным. Как бы не так. В это время только
что возникшая Вселенная – крохотный пузырек
размером меньше атома – стремительно
раздувалась (inflation и есть раздувание),
вырастая до астрономических размеров.

Необходимость введения
инфляционной эры возникла у космологов тогда,
когда они осознали невозможность объяснить
некоторые парадоксальные свойства реликтового
излучения, например, одинаковую температуру
далеких друг от друга и потому причинно не
связанных частей Вселенной (расстояние между
которыми больше пути, проходимого светом за
время жизни Вселенной). Разгадка проста: в начале
инфляционной эры они-таки были причинно
связанными и могли обмениваться сигналами,
уравнивая свою температуру, а разошлись так
далеко в результате стремительного раздувания.

Инфляционная эра – настоящий
Клондайк современной астрофизики. Именно в этот
крохотный промежуток времени возникла вся масса
Вселенной – как пена на бесконечно глубокой
потенциальной энергии вакуума, выделилась
огромная энергия, нагревшая вещество до высокой
температуры (сделавшая Вселенную горячей), и
произошли распады тяжелых частиц, создавшие
избыток вещества над антивеществом (протонов,
нейтронов и электронов над антипротонами,
антинейтронами и позитронами), в результате чего
наша Вселенная и состоит только из вещества
(после того как аннигилировали – взаимно
уничтожились – равные количества частиц и
античастиц). Понятен тот огромный интерес,
который проявляют к этой «золотой жиле»
физики-теоретики. Надо отметить также, что
инфляционная эра – самая близкая к моменту
Большого Взрыва. Кто знает, какие еще открытия и
потрясения ожидают дотошных космоархеологов в
этой «долине царей».

Выбор Вселенной

Вариантов космологических
моделей много, а Вселенная одна. Значит, надо
отобрать тот единственный вариант, который был
реализован, и наконец понять, в каком Доме мы
живем. Почти весь ХХ в. прошел под знаменем этой
великой задачи – в поисках тестов выбора
правильной модели и их проверок в наблюдениях. Но
до сих пор результат остается неопределенным:
Вселенная может быть любым из указанных
Фридманом типов – открытой, плоской и замкнутой.
Мы все еще не знаем в точности устройства,
главных параметров и будущего поведения нашего
мира. Будет ли Вселенная бесконечно расширяться,
или когда-нибудь расширение сменится сжатием и
она уйдет в начальную сингулярность? Разве можно
спокойно жить, не зная ответа?

На самом деле все не так
трагично. Наиболее умудренные космологи уже
интуитивно получили ответ и считают, что, скорее
всего, мы живем в плоской Вселенной, где средняя
плотность вещества (видимого и скрытого)
равняется критической, геометрия пространства
евклидова и мир в целом не имеет кривизны. К этому
их склоняют не только результаты анализа
космологических тестов, но и соображения
«эстетической красоты», которые так ценил
Эйнштейн и которые помогли ему выбрать именно
тот вариант теории тяготения (общую теорию
относительности), который до сих пор считается
лучшим, согласуясь со всеми результатами
наблюдений.

Но в науке самый главный
критерий истины все же не интуиция (даже самых
выдающихся людей, которые тоже иногда ошибаются),
а результаты опыта и точного анализа. Поэтому с
прежним упорством наблюдатели, получающие в свое
распоряжение все более изощренные приборы и
методы анализа, продолжают поиски единственного
варианта нашего вселенского Дома. На этом пути,
кроме уточняющихся результатов старых тестов,
появилась в последнее время совершенно новая
возможность, связанная с подробными
исследованиями температуры реликтового
излучения.

Анизотропия
реликтового излучения

Так ли уж изотропен
реликтовый фон? С точностью до 0,01 % он
действительно одинаков во всех направлениях,
чего достаточно, чтобы отбросить все попытки
объяснить его близкими источниками и принять как
излучение всей Метагалактики. А что будет, если
еще повысить точность измерений?

20 лет назад такой эксперимент
провела американская группа на высотном
самолете-лаборатории и обнаружила заметную
анизотропию реликта: в некоторой области
небесной сферы температура излучения была чуть
выше – максимальная разница составляла 3,5 мК, а в
противоположной – на такую же величину меньше.
Был открыт так называемый дипольный компонент
анизотропии, получивший очень простое и
естественное объяснение. Он обусловлен
доплеровским смещением частоты (а значит, и
температуры) излучения, принимаемого движущимся
наблюдателем. Это тот же эффект, по которому
высота гудка приближающегося поезда выше, а
удаляющегося – ниже, чем стоящего. Реликтовые
фотоны налетают со всех сторон; летящие
навстречу наблюдателю окажутся более
энергичными, а догоняющие «в хвост» – менее
энергичными, чем приходящие сбоку. Этот
эксперимент показал, что Земля (вместе с
Солнечной системой, Галактикой и другими
адресными подструктурами) движется со скоростью
370 км/с относительно далекого вещества,
испустившего реликтовое излучение. Сам по себе
этот результат очень интересен. Найдена
инерциальная система, которую искали в начале
века, решая проблему мирового эфира. Тогда опыт
Майкельсона показал, что такой системы нет и
эфира с приписываемыми ему свойствами упругой
среды не существует. Эфир действительно сейчас
физике не нужен, но избранная система отсчета (в
некотором смысле абсолютная) все же, оказывается,
существует.

За вычетом дипольного
компонента реликтовое излучение на небесной
сфере представляет равномерную «рябь»,
вызванную статистическими и приборными
погрешностями. Конечных значений более мелкой
анизотропии долго не находили, пока не были
проведены на спутниках уникальные эксперименты
РЕЛИКТ (СССР, 1984) и COBE (США, 1992). Первый показал, что
более высокие анизотропные компоненты
отсутствуют до уровня dТ / Т = 10^–5, и
этот факт свидетельствовал о большом количестве
холодной темной материи (движущейся со
скоростями много меньше скорости света). Второй
открыл целый спектр анизотропных компонентов,
которые, как сыпь, покрывают все небо и имеют
весьма большие размеры (1 – 90^о). Это следы
тех первичных флуктуаций плотности вещества,
которые появились в момент рекомбинации плазмы и
из которых развились все наблюдаемые структуры
Вселенной. Большой размер неоднородностей –
аргумент в пользу инфляционной эры, поскольку
зарождались они (в темной материи) именно в то
далекое время и успели сильно вырасти.

Анизотропия реликтового фона
на уровне 20–40 мкК – установленный факт. Ее
компоненты, сохранившие отпечатки прошедших
эпох, могут сослужить верную службу, став
космологическим Розетским камнем в воссоздании
истории «давно минувших дней».

Измерения реликтового
излучения детекторами на высотных аэростатах
подтвердили выводы спутниковых экспериментов и
смогли продлить спектр анизотропных компонентов
до высоких моментов. Результаты всех опытов
приведены на рис. 2.

Рис. 2. Спектр неоднородностей
(анизотропии) реликтового излучения: по оси
абсцисс – мультипольный момент, по оси ординат –
температурные флуктуации; точки с погрешностями
– экспериментальные данные, кривые – результаты
расчета по инфляционной модели (а) и модели
топологических дефектов (б)

Точками показаны
экспериментальные данные, кривыми – ожидаемые
спектры в разных моделях первичных флуктуаций
плотности. Хотя ошибки измерений еще очень
велики, эксперименты лучше согласуются с
предсказанием инфляционной модели (кривая а)
и почти наверняка отвергают модель
топологических дефектов (кривая б). В расчет
заложены все космологические параметры
Вселенной и, если измерения будут более точными,
особенности расчетного спектра (растущая часть,
положение и амплитуды трех пиков, крутой спад)
могут быть точно «привязаны», в результате чего
параметры станут известны с точностью,
недоступной для других космологических тестов
(пока неопределенность составляет 50%). Сейчас
готовятся два новых прецезионных спутниковых
эксперимента: MAP (США, запуск в 2001 г.) и Planck
(Европейское космическое агентство, 2007 г.),
результаты которых позволят определить
параметры Вселенной с точностью до 5% (рис. 3), – и
проблема выбора модели будет снята с повестки
дня. Трудно переоценить общенаучную важность
проводимых исследований – она сопоставима с
самыми громкими открытиями прошлых веков,
заложившими основы знания об окружающем мире.

 Рис. 3. Тот
же спектр анизотропии реликтового излучения, как
он будет измерен в экспериментах МАР и Planck для
модели плоской Вселенной с определенным набором
космологических параметров

 А что дальше?

И все же на этом дело не
остановится – наука всегда в пути. Уже видны
новые проблемы и задачи, которые ставит
неугомонная природа. Одной из них, касающейся
структуры Вселенной, является проблема «130 Мпк
шкалы». Суть ее заключается в том, что скопления
галактик и воиды расположены не хаотично, а
строго определенно: наблюдается периодичность
их чередования с шагом 130 Мпк. Ни из современной
теории, ни из модели блинов такая
периодичность вовсе не следует. Что это –
указание на неизвестные еще детали устройства
нашего Дома или следствие чрезмерной
подозрительности исследователей – покажут
дальнейшие, более точные наблюдения.

К числу беспокоящих
(нерешенных или непонятых) проблем относится и
так называемый антропный принцип, обсуждаемый с
переменным успехом в течение последних
десятилетий. Он является формальным ответом на
вопрос, почему мировые физические константы так
точно «подогнаны» (до нескольких процентов) к
тому эволюционному пути, которым прошла
Вселенная: Большой Взрыв – расширение
Метагалактики – образование звезд, галактик и
скоплений – синтез элементов, включая С, N, О, из
которых строятся органические вещества –
зарождение жизни – появление человека,
наблюдателя природы. Согласно антропному
принципу, Вселенная устроена таким образом, что в
ней обязательно должен появиться наблюдатель.
Другие вселенные, с иным набором констант,
ненаблюдаемы, т.к. в них эволюционная цепь
оборвалась на промежуточном звене: синтез
элементов не пошел дальше гелия, не успели
образоваться звезды и т.д. Что в действительности
кроется за антропным принципом и идеей множества
вселенных, пока неясно. Но, как известно,
нераскрытых тайн в науке не бывает – будет дан
точный ответ и на этот трудный вопрос.

Возможно, нам все-таки
придется дополнить свой адрес указанием
скопления вселенных или других структурных
единиц.

Просто Дом продолжает
строиться в нашем сознании, уточняясь и
совершенствуясь.

Где находится центр вселенной?

Категория: Космос      Опубликовано: 17 сентября 2013 г.

Общий вид вспышки сразу после Большого взрыва (Космическое микроволновое фоновое излучение). Хотя есть локальные неровности, общая структура света однородна, что указывает на то, что Вселенная однородна и бесконечна со времен Большого взрыва. Изображение общественного достояния, источник: НАСА.

Согласно всем современным наблюдениям, у Вселенной нет центра. Чтобы центральная точка существовала, она должна быть какой-то особенной по отношению ко Вселенной в целом. Давайте подумаем обо всех различных типах эффектов, которые могут создать центр.

Во-первых, если объект вращается, вы можете определить центр вращения. Центр вращения — это неподвижная точка на вращающемся объекте. Для Земли центром вращения является ось, соединяющая Северный и Южный полюса. Для баскетболиста, крутящего баскетбольный мяч на пальце, центром вращения является точка, в которой мяч касается его пальца. Центром вращения колеса на оси является центр оси. Наблюдения за Вселенной вообще не обнаружили никакого вращения во Вселенной в целом. Без вращения нет центра вращения.

Далее вы можете определить центр масс. Если объект конечен, центр масс — это просто точка, которая в среднем имеет одинаковую массу, окружающую ее во всех направлениях. Ситуация усложняется для бесконечного объекта. Если объект бесконечен и однороден, вы просто не можете определить центр масс, потому что все точки идентичны. С другой стороны, если объект бесконечен, но не однороден (например, он имеет единственный узел высокой плотности в одной точке), вы можете определить центр масс всего объекта как центр масс не -однородность. Например, рассмотрим облако в небе. Некоторые виды облаков не имеют четко определенной границы, а вместо этого просто тянутся во всех направлениях, становясь все тоньше и тоньше. Несмотря на то, что облако фактически простирается до бесконечности, область высокой плотности облака существует в ограниченном объеме, поэтому вы можете найти центр масс с помощью процедуры ограничения. Наблюдения в настоящее время показывают, что размер Вселенной бесконечен. Хотя планеты и звезды действительно представляют собой неоднородности в пространственно-временной структуре, во вселенском масштабе такие однородности рассеяны случайным образом. Следовательно, в среднем Вселенная однородна. Будучи бесконечным и однородным, невозможно определить центр масс Вселенной.

Другой вариант — центр заряда. Подобно центру масс, это будет точка в объекте, где количество электрического заряда в среднем одинаково во всех направлениях, окружающих его. Центр заряда равномерно заряженной сферы будет как раз центром сферы. Подобно распределению массы, распределение заряда во Вселенной бесконечно и в среднем однородно, так что центра заряда нет.

Далее может быть центр кривизны. Подобно тарелке с салатом, во Вселенной может быть центральная точка, от которой расходятся все остальные точки. Но текущие наблюдения показали, что Вселенная плоская, а не искривленная.

Еще одна возможность — центр расширения. Если вы прикрутите резиновый лист к земле, а затем попросите людей тянуть его со всех сторон, то место, где лист будет прикреплен болтами, станет центром расширения. Центр расширения — это точка в пространстве, от которой удаляются все остальные точки. Множество астрономических наблюдений показало, что Вселенная действительно расширяется. Эти наблюдения лежат в основе концепции о том, что Вселенная началась с Большого взрыва. Поскольку Вселенная расширяется, если вы вернете время вспять, должно было быть время, когда вся Вселенная была сжата в одну точку. Поскольку Вселенная расширяется, можно подумать, что есть центр расширения. Но наблюдения показали, что это не так. Вселенная расширяется одинаково во всех направлениях. Все точки в пространстве равномерно удаляются от всех других точек в одно и то же время. Это может быть трудно визуализировать, но ключевая идея заключается в том, что объекты во Вселенной на самом деле не разлетаются друг от друга во вселенском масштабе. Вместо этого объекты относительно неподвижны в пространстве, и само пространство расширяется. У вас может возникнуть соблазн сказать, что место Большого взрыва — это центр Вселенной. Но поскольку само пространство было создано Большим взрывом, место Большого взрыва было повсюду во Вселенной, а не в одной точке. Основным последствием Большого взрыва была вспышка света, известная как космическое фоновое излучение. Если бы Большой взрыв произошел в одном месте в космосе, мы бы увидели эту вспышку света только из одной точки на небе (мы можем увидеть вспышку, которая произошла так давно, потому что свету требуется время, чтобы пройти через пространство, а вселенский масштаб равен такой большой). Вместо этого мы видим, что вспышка идет одинаково из всех точек пространства. Кроме того, если принять во внимание движение Земли, вспышка света в среднем одинаково сильна во всех направлениях. Это указывает на отсутствие центра расширения.

Другим способом определения центра может быть идентификация какого-либо объекта или особенности, существующей только в одном месте, например, сверхмассивной черной дыры или сверхбольшой туманности. Но наблюдения показывают, что все типы объектов случайным образом разбросаны по Вселенной.

Как бы мы ни пытались это определить и идентифицировать, вселенная просто не имеет центра. Вселенная бесконечна и не вращается. В среднем по универсальному масштабу Вселенная однородна.

Темы:
Большой взрыв, астрономия, черная дыра, центр вселенной, космическое фоновое излучение, вращение, вселенная

Во что расширяется Вселенная? (Средний)

Я очень запутался в том, что моя научная книга говорит о расширяющейся Вселенной. В каждой книге, которую я видел, вселенная определяется как «все». Если Вселенная расширяется, во что она расширяется? Он должен был бы расшириться в еще большую вселенную. Я понимаю, что красные спектры указывают на то, что объекты удаляются от нас, но это дрейфует, а не расширяется, верно? Если бы вы могли помочь мне понять это, я был бы признателен. Спасибо за ваше время.

Это очень хороший вопрос, на который нелегко дать удовлетворительный ответ! В первый раз, когда я попытался написать ответ на этот вопрос, мы получили так много дополнительных вопросов от людей, которые все еще были в замешательстве, что я решил попытаться ответить на него снова, на этот раз гораздо более всесторонне. Длинное объяснение ниже. Однако, если вам просто нужен краткий ответ, я скажу так: если Вселенная бесконечно велика, то ответ заключается просто в том, что она не расширяется до чего-либо 9.0012 ; вместо этого происходит то, что каждая область Вселенной, каждое расстояние между каждой парой галактик «растягивается», но общий размер Вселенной был бесконечно большим с самого начала и продолжает оставаться бесконечно большим с течением времени. , так что размер Вселенной не меняется, и поэтому она ни во что не расширяется. Если, с другой стороны, Вселенная имеет конечный размер, то может быть правомерно утверждать, что есть что-то «вне вселенной», во что расширяется Вселенная. Однако, поскольку мы по определению застряли в пространстве, из которого состоит наша Вселенная, и не имеем возможности наблюдать что-либо за его пределами, этот вопрос перестает быть вопросом, на который можно ответить с научной точки зрения. Так что ответ в этом случае заключается в том, что мы действительно не знаем, во что расширяется Вселенная.

Теперь для тех из вас, кто хочет более подробного обсуждения:

Позвольте мне начать с того, что «расширение» — не лучшее слово для описания того, что происходит со вселенной, хотя это слово часто использованный — выбор слова, который, я думаю, приводит к ненужной путанице в отношении и без того сложной темы! Более точное слово для того, что делает Вселенная, могло бы быть «растяжением».

Разница между «расширением» и «растягиванием», по крайней мере для меня, заключается в том, что «расширяющаяся вселенная» вызывает в воображении образ, в котором есть группа галактик, плывущих в пространстве, каждая из которых начинается в какой-то центральной точке и теперь удаляясь от этой точки на очень высоких скоростях. Следовательно, совокупность галактик (которую мы называем «Вселенная») расширяется, и, безусловно, справедливо спросить, во что она расширяется.

Современные теории Вселенной, однако, говорят нам, что это совсем не та картина, которую нам следует иметь в виду. Вместо этого галактики в каком-то смысле стационарны — они не движутся в пространстве так, как мяч движется в воздухе. Галактики просто сидят там. Однако с течением времени пространство между галактиками «растягивается», подобно тому, что происходит, когда вы берете лист резины и тянете его за оба конца. Хотя галактики вообще не переместились с на , они удаляются друг от друга с течением времени, потому что пространство между ними растянулось.

Конечно, когда мы думаем о пространстве в повседневной жизни, мы не думаем о нем как о чем-то, что способно растягиваться. Пространство для нас просто кажется чем-то, что есть там и внутри чего существует все остальное во вселенной. Но, согласно общей теории относительности Эйнштейна, пространство на самом деле не так просто, как говорит нам здравый смысл. Если мы хотим понять, как на самом деле функционирует Вселенная, нам нужно найти способ включить идеи Эйнштейна в нашу мысленную картину и представить пространство как более сложную сущность, которая способна делать такие вещи, как «сгибаться» и «растягиваться».

Чтобы помочь нам представить себе это, многие люди придумали аналогии Вселенной, в которых пространство представлено чем-то более осязаемым. Например, есть аналогия с листом резины (а иногда и с воздушным шаром), о котором я упоминал выше. Моя любимая аналогия, тем не менее, включает в себя представление Вселенной в виде гигантского комка теста. В тесто вложена пучок изюма, разбросанного по всему блюду. Тесто представляет космос, а изюм представляет галактики. (Насколько мне известно, эта аналогия первоначально была предложена Мартином Гарднером в его 1962 book Relativity for the Million .) Мы понятия не имеем, насколько большое тесто в этот момент — все, что мы знаем, это то, что оно очень большое, и мы, сидя на какой-то изюминке где-то внутри него, так далеко от «края», что край никак не может повлиять на нас или на то, что мы видим.

Теперь кто-то ставит тесто в печь, и оно начинает расширяться. Изюминки отдаляются друг от друга, но относительно теста вообще не двигаются — те же самые частицы теста, которые стартовали возле той или иной изюминки, всегда будут рядом с этой изюминкой. Именно это я имел в виду, когда сказал, что галактики на самом деле не движутся в пространстве по мере расширения Вселенной — здесь изюминки не движутся сквозь тесто, но расстояние между изюминками все равно увеличивается.

Эта новая картина Вселенной, которую я прошу вас представить, на практическом уровне сильно отличается от старой картины, на которой все галактики движутся в пространстве от некоторой точки в центре. Многие понятия и определения, кажущиеся нам простыми на старой картинке, сейчас гораздо сложнее. Например:

Какое расстояние между двумя галактиками? На старой картинке на этот вопрос легко ответить теоретически (хотя и не обязательно на практике!). Просто возьми себе гигантскую рулетку и прикрепи ее к далекой галактике, а потом вернись в нашу галактику и держись крепче. По мере того, как галактика удаляется, она будет тянуть рулетку, и вы легко сможете определить расстояние по мере того, как рулетка разматывается… миллиард световых лет, полтора миллиарда световых лет, два миллиарда световых лет. -лет и др.

Однако в нашей новой картине Вселенной, с изюмом и тестом, рулетка вообще не будет разматываться по мере расширения Вселенной, потому что галактики на самом деле не движутся друг относительно друга! Вместо этого он все время будет показывать один миллиард световых лет. Вы можете с полным основанием сказать, что расстояние между галактиками не изменилось с течением времени. Однако, когда вы вернете рулетку, вы заметите нечто необычное; из-за растяжения пространства растянется и ваша рулетка, и если вы сравните ее с такой же рулеткой, которая все это время лежала у вас в кармане, вы увидите, что все деления на ней в два раза больше. далеко друг от друга, как раньше. Используя рулетку из своего кармана в качестве эталона, вы теперь сказали бы, что галактика находится на расстоянии двух миллиардов световых лет, хотя первая рулетка показывала, что она находится на расстоянии одного миллиарда световых лет. Как видите, понятие «расстояние» в этой новой картине мироздания несколько сложнее, чем в старой! Неясно, действительно ли Вселенная в целом «расширяется» — все, что мы действительно измеряем, — это растяжение пространства между каждой парой галактик. (Обратите внимание, что нам может понадобиться «воображаемая» рулетка, атомы которой на самом деле не удерживаются вместе межмолекулярными силами, чтобы сценарий, описанный выше, действительно имел место, как описано.)

(Кстати, эта аналогия с рулеткой очень похожа на то, что на самом деле происходит со светом, когда он путешествует между галактиками. Когда свет излучается из одной галактики и проходит через пространство в другую галактику, во время своего путешествия в космосе он Кроме того, будет растянут, что приведет к увеличению его длины волны и, следовательно, к красному концу спектра. Именно это приводит к тому, что мы видим смещенный в красную сторону свет, когда смотрим на далекие галактики, и это измерения это красное смещение, которые позволяют нам оценить расстояния до этих галактик.)

Где находится центр вселенной? На старой картинке легко сказать, где находится центр Вселенной — это точка в пространстве, от которой удаляются все галактики. Однако на новом снимке это не так очевидно. Помните, галактики на самом деле не удаляются друг от друга — они сидят на месте! Вернемся к аналогии с тестом — конечно, вы можете себе представить, что даже если тесто действительно очень большое, внутри него есть некоторая точка, которая является геометрическим центром. Но это определение не очень полезно. Поскольку тесто представляет собой пространство, в котором мы живем, у нас нет возможности увидеть «снаружи» теста, чтобы понять всю форму и выяснить, где находится центр. Итак, если вы застряли внутри теста и не можете видеть ничего, кроме теста, и если вы находитесь так далеко от «края» теста, что вы его не видите и это не может повлиять на вы, тогда какую разницу вы замечаете между точкой, в которой вы находитесь, и точкой, которая на самом деле находится в геометрическом центре всего комка теста? Ответ заключается в том, что нет никакой разницы, абсолютно никакой. Понятие «центр вселенной» теряет всякий смысл, поэтому мы даже не задумываемся об этом.

На самом деле, мы можем пойти еще дальше и представить, что центра вообще нет! Как? Ну, а что, если вместо того, чтобы быть действительно очень большим, тесто было бы бесконечно большим, то есть вы могли бы идти вечно по прямой линии и никогда не достичь места, где тесто заканчивается. В этом случае у Вселенной действительно не было бы центра — единственный способ определить центр — это разметить края и найти точку, которая находится между ними в равной степени. Итак, если Вселенная бесконечно велика и не имеет краев, то у нее также нет центра, даже на теоретическом уровне.

Во что расширяется Вселенная? Наконец, мы можем вернуться к исходному вопросу. В нашей старой картине Вселенной ответ был бы простым, хотя и неудовлетворительным. Совокупность галактик, составляющих Вселенную, движется в пространстве; следовательно, Вселенная расширяется в еще большее пространство, чем она уже вмещала. Однако в нашей новой картине галактики — всего лишь изюм, разбросанный по всему тесту — их присутствие в значительной степени не имеет отношения к вопросу о расширении Вселенной. Что нас действительно волнует, так это тесто, и есть ли у него границы.

Если у теста есть граница, то правомерно спросить, что находится за границей, во что расширяется тесто. Но для нашей вселенной это очень сложный вопрос! Граница на краю теста представляет собой «край» пространства. Мы по определению существуем в космосе и не можем его покинуть! Поэтому мы не думаем, что есть какой-либо способ наблюдать или измерять то, что находится за пределами, если только это не оказало на нас какого-либо воздействия, о котором мы в настоящее время не знаем. Было бы действительно странно представить себе достижение «конца» космоса. Как это будет выглядеть, например? Это вопросы, на которые у нас нет возможности дать научный ответ, поэтому простой ответ — мы не знаем! Все, что мы знаем, это то, что, основываясь на нашем нынешнем понимании теоретической космологии, Вселенная не имеет границ — она либо бесконечна, либо каким-то образом закручивается вокруг себя. Наблюдения, похоже, согласуются с этими предсказаниями в том смысле, что если Вселенная имеет ли границу, мы знаем, что граница находится так далеко от нас, что в настоящее время мы ее не видим, и она не оказывает на нас никакого влияния.

Если вселенная действительно бесконечна, то простой ответ на исходный вопрос состоит в том, что во вселенной нет ничего, во что можно было бы расширяться. Думать о бесконечности всегда сложно, но можно провести хорошую аналогию с простой математикой. Представьте, что у вас есть список чисел: 1,2,3 и т. д., вплоть до бесконечности. Затем вы умножаете каждое число в этом списке на 2, так что теперь у вас есть 2, 4, 6 и т. д., вплоть до бесконечности. Расстояние между соседними числами в вашем списке «растянулось» (теперь оно равно 2 вместо 1), но можете ли вы действительно сказать, что общий размер всех ваших чисел «расширился»? Вы начали с чисел, стремящихся к бесконечности, и закончили числами, стремящимися к бесконечности. Таким образом, общий размер одинаков! Если эти числа представляют расстояния между галактиками в бесконечной Вселенной, то это хорошая аналогия того, почему Вселенная не обязательно расширяется, даже если она растягивается.

Наконец, я должен отметить, что не все во Вселенной «растягивается» или «расширяется» так, как растягиваются пространства между далекими галактиками. Например, мы с вами не расширяемся, Земля не расширяется, Солнце не расширяется, даже вся галактика Млечный Путь не расширяется. Это связано с тем, что в этих относительно небольших масштабах эффект растяжения Вселенной полностью подавляется другими силами (то есть гравитацией галактики, гравитацией Солнца, гравитацией Земли и атомными силами, удерживающими тела людей вместе). Только когда мы смотрим во Вселенную с достаточно больших расстояний, эффект растяжения Вселенной становится заметным по сравнению с эффектами местной гравитации и других сил, которые имеют тенденцию удерживать вещи вместе. (Вот почему, по аналогии с рулеткой, о которой я говорил выше, рулетка, которую вы носите в кармане, не растягивается, в то время как та, что проходит между двумя галактиками, растягивается. Могу поспорить, что некоторые люди задавались этим вопросом. !)

Последний раз эта страница обновлялась 27 июня 2015 г.

Читатели отвечают: Вселенная расширяется, но во что она расширяется? | Астрономия

Ученые и астрономы говорят нам, что Вселенная расширяется. Но во что он расширяется, т.е. что находится за пределами вселенной?
Фил Таун, Лиссабон

Новые вопросы присылайте по адресу [email protected]

Что находится за пределами вселенной? Простые! Все те предметы, которые ты где-то потерял и с тех пор никогда не видел. Ручки, очки, кошельки, ключи, телефоны, перочинные ножи, расчески, ежедневники, зонты, носовые платки… что угодно!

Неужели люди не понимают, что все пространство вокруг пронизано крохотными червоточинами, в которые погружаются эти объекты, чтобы никогда больше не увидеть глаза смертных? FirmlyDirac

Вселенная — это воздушный шар клоунов, который все еще находится в стадии надувания и скоро превратится в собаку-сосиску. Jamessss

Как учитель, я часто задаюсь этим вопросом на уроках физики. Часть проблемы — это перспектива. Человеческий мозг лучше всего работает, когда думает о вещах в как можно меньшем количестве измерений. Мы сводим искривленную и бугристую поверхность Земли к двумерным картам или двухмерные улицы к одномерным системам, таким как номера улиц или отметки миль.

Наш разум не в состоянии интуитивно понять, на что на самом деле похожа Вселенная. Мы видим, как расширяется воздушный шар, и мы видим, что он расширяется в окружающий его воздух, и мы предполагаем, что вселенная делает то же самое. Это неправильно. Вселенная не расширяется ни во что, потому что, насколько нам известно, это все, что существует. Другими словами, вне Вселенной нет ничего.

Мы часто думаем, что Большой взрыв произошел в космосе в центре Вселенной, но это верно лишь отчасти. На самом деле произошло то, что Большой взрыв это Вселенная. Это не был взрыв в космосе; космос это взрыв. С тех пор пространство между объектами расширяется. Тот факт, что это непостижимо, должен сделать его еще более удивительным. Эндрю Буш

Вместо того, чтобы думать о Вселенной как о надувающемся воздушном шаре, я думаю о ней как о гигантском шарике теста, который несколько поваров растягивают во всех направлениях. Таким образом, в исходной отправной точке всегда остается тесто. И при этом я голоден. Eva_Brick

Вопрос начинается с неверного предположения – что у вселенной есть «край», граница между «вселенной» и «не вселенной».

Все, что мы знаем, и это то, что мы подразумеваем под расширением Вселенной, это то, что в среднем каждая галактика удаляется от любой другой галактики с возрастающей скоростью, без центральной точки. Это не означает, что на любом локальном уровне пространство-время «растягивается», как резиновый лист (распространенное заблуждение), и не означает, что на локальных масштабах звезды и галактики все еще не могут влетать друг в друга.

Проблема с вашим вопросом в том, что вы воображаете что-то из своего опыта — скажем, надувной воздушный шар — и задаете кажущийся разумным вопрос: «Что снаружи воздушного шара?» с точки зрения того, что вы находитесь вне воздушного шара и можете видеть, что это воздушный шар.

Вместо этого представьте себе: вы кот в квартире. Ты никогда не был на улице. Итак, насколько вам известно, вне квартиры ничего не существует. А теперь представьте, что вы сжимаетесь. С вашей кошачьей точки зрения вы остаетесь того же размера, но все стены и мебель, кажется, отдаляются от вас — ваша вселенная расширяется. Но вы бы не спросили: «Куда она расширяется?» потому что, насколько вы знаете — и можете когда-либо знать — плоскость — это все, что существует, она просто расширяется (предположительно, это именно то, что делают плоскости, потому что единственная, которую вы когда-либо можете наблюдать, делает это). Это то положение, в котором мы находимся, и поэтому вопрос не имеет смысла. HaveYouFedTheFish

Вселенная — это все (насколько нам известно), поэтому нет смысла говорить «во что она расширяется». Это просто все. Большой взрыв произошел «везде» одновременно. Он бесконечен или конечен? Мы не знаем. Даже если он конечен, у него может не быть «края». На данный момент есть много вопросов без ответов или даже без ответов. Возможно, мы никогда не узнаем, потому что все наши измерения ограничены наблюдаемой Вселенной. csjjl1

То, что мы чего-то не понимаем, не означает, что это должно быть делом рук какой-то сверхъестественной сущности. Это абсурд. Существуют пределы того, что может понять человеческий мозг — он ограничен своим эволюционным контекстом. Просто неприемлемо объяснять вещи, которые мы не можем понять, ссылаясь на обитающее в облаках божество. Ну, для кого-то это может быть приемлемо, но не для меня. О, и вселенная расширяется в себя. Жар-птица V

Моя теория состоит в том, что Вселенная должна расшириться, чтобы вместить чувство удовлетворения Брайана Кокса. DonerCard

Согласно «Людям в черном», мы находимся в большом шарике, который бросают инопланетяне. Хотя, конечно, это не объясняет, как мрамор расширяется. AleYarse

Кто-нибудь заметил, что эта ветка расширяется? Я хочу знать: во что он расширяется? Пловдив12

Мы называем точку происхождения нашей Вселенной событием большого взрыва. Это точка, с нашей точки зрения, где новое время и пространство начали разворачивать вселенную. Он расположен около 90 млрд световых лет* во всех направлениях в пределах нашей Вселенной возрастом 13,8 млрд лет. Это контринтуитивное наблюдение связано с тем, что новое время и пространство постоянно создаются внутри сингулярности** везде одновременно. Точка происхождения Вселенной отошла за пределы нашего наблюдаемого горизонта; обратите внимание, что любая другая точка во Вселенной имеет аналогичную наблюдаемую систему отсчета***.

Имейте в виду, что, хотя для нашей сингулярной вселенной не существует такого понятия, как «внешнее», нет никаких причин, по которым не могло бы существовать бесконечное количество сингулярностей, каждая из которых имеет свою собственную вселенную непрерывно разворачивающегося пространства-времени внутри.

Традиционная космология придерживается мнения, что новое время и пространство будут продолжать разворачиваться внутри сингулярности вечно; Вселенная будет постепенно становиться холодной и темной по мере того, как статическая масса будет становиться все более и более рассеянной, а энергия подвергается непрерывной энтропии (теория «большого разрыва»).

* Край «наблюдаемой» Вселенной составляет около 46,6 миллиардов световых лет в каждом направлении; расстояние до большого взрыва, которое является гораздо более спекулятивным расстоянием, вероятно, составляет около 90 миллиардов световых лет в каждом направлении.

** Большинство космологов считают, что Вселенная возникла не как «математическая сингулярность», а как нечто, что лучше описать как очень маленькое и плотное. Стивен Хокинг продемонстрировал, что мы не можем ничего узнать о происхождении Вселенной, пока она не состарится хотя бы на 10⁻³² секунд, поскольку никакой информации еще не создано.

*** Каждая точка во Вселенной имеет одну и ту же систему отсчета для наблюдения за собой как самую старую, самую центральную и самую удаленную точку от события Большого взрыва по сравнению с любой другой точкой во всей сингулярности. Несмотря на то, что новое время и пространство постоянно разворачивают нашу вселенную, оно по-прежнему сохраняет характеристики сингулярности нашего происхождения. Крис Дьюси

Я думаю, профессор Харви Кейтель лучше всего сказал это в «Злых улицах», когда размышлял о значении вечной духовной жизни, вселенной и всего остального: «Не шути с бесконечным». dylan37

Сказать, что «вселенная расширяется», потому что то, что мы можем видеть и наблюдать из нашей части, что она удаляется от определенной точки, звучит для меня высокомерием. гемодроид

Это не «удаление от определенной точки» — скорее, все точек расширяются от всех остальных точек. Так что это вовсе не высокомерие; наше место во Вселенной такое же обычное и ничем не примечательное, как и все другие места. Readout_Noise

Думаю, это помогает осознать неразрывную связь между вещами и физическими измерениями пространства и времени. Любое измерение пространства предполагает рассмотрение расстояний между вещами, а любое измерение времени включает наблюдение за движением вещей относительно друг друга.