Как выглядит вселенная со стороны: Как выглядит наша Вселенная со стороны? Тайна формы

КАКУЮ ФОРМУ ИМЕЕТ НАША ВСЕЛЕННАЯ?

Что общего между листом бумаги, поверхностью стола, бубликом и кружкой?

Двухмерные аналоги евклидовой, сферической и гиперболической геометрий.

Лист Мёбиуса с точкой a на его поверхности, нормалью к ней и маленькой окружностью с заданным направлением v.

Плоский лист бумаги можно склеить в цилиндр и, соединив его торцы, получить тор.

Тор с одной ручкой гомеоморфен сфере с двумя ручками — их топология одинакова.

Если вырезать эту фигуру и склеить из нее куб, станет понятно, как выглядит трехмерный тор, бесконечно повторяющий копии зеленого «червячка», сидящего в его центре.

Трехмерный тор можно склеить из куба, подобно тому, как тор двухмерный — из квадрата. Разноцветные «червячки», путешествующие внутри его, наглядно демонстрируют, какие грани куба склеены вместе.

Куб — фундаментальная область трехмерного тора — разрезан на тонкие вертикальные слои, которые при склеивании образуют кольцо, состоящее из двухмерных торов.

Если две грани исходного куба склеены с поворотом на 180 градусов, образуется 1/2 -повернутое кубическое пространство.

Поворот двух граней на 90 градусов дает 1/4- повернутое кубическое пространство. Попробуйте эти рисунки и аналогичные рисунки на стр. 88 как инверсные стереопары. «Червячки» на неповернутых гранях приобретут объем.

Если в качестве фундаментальной области взять шестигранную призму, склеить каждую ее грань с противоположной напрямую, а шестиугольные торцы с поворотом на 120 градусов, получится 1/3-повернутое шестиугольное призматическое пространство.

Поворот шестиугольной грани перед склейкой на 60 градусов дает 1/6-повернутое шестиугольное призматическое пространство.

Двойное кубическое пространство.

Пластинчатое пространство возникает, если склеить верхнюю и нижнюю стороны бесконечной пластины.

Трубчатые пространства — прямое (А) и повернутое (Б), в котором одна из поверхностей склеена с противоположной с поворотом на 180 градусов.

Карта распределения микроволнового реликтового излучения демонстрирует то распределение плотности материи, которое было 300 тысяч лет назад (показано цветом). Ее анализ позволит определить, какую топологию имеет Вселенная.

‹

›

Открыть в полном размере

В древности люди полагали, что живут на обширной плоской поверхности, хотя и покрытой кое-где горами и впадинами. Это убеждение сохранялось на протяжении многих тысяч лет, пока Аристотель в IV веке до н. э. не заметил, что уходящее в море судно пропадает из виду не потому, что по мере удаления уменьшается до недоступных глазу размеров. Напротив, сначала исчезает корпус корабля, потом паруса и, наконец, мачты. Это привело его к заключению, что Земля должна быть круглой.

За прошедшие тысячелетия сделано множество открытий, накоплен колоссальный опыт. И тем не менее до сих пор остаются без ответа фундаментальные вопросы: конечна или бесконечна Вселенная, внутри которой мы обитаем, и какова ее форма?

Последние наблюдения астрономов и исследования математиков показывают, что форму нашей Вселенной следует искать среди восемнадцати так называемых трехмерных ориентируемых евклидовых многообразий, причем претендовать на нее могут только десять.

НАБЛЮДАЕМАЯ ВСЕЛЕННАЯ

Любые умозаключения о возможной форме нашей Вселенной должны опираться на реальные факты, полученные из астрономических наблюдений. Без этого даже самые красивые и правдоподобные гипотезы обречены на неудачу. Поэтому посмотрим, что говорят о Вселенной результаты наблюдений.

Прежде всего, заметим, что, в каком бы месте Вселенной мы ни находились, вокруг любой ее точки можно очертить сферу произвольного размера, содержащую внутри пространство Вселенной. Такое несколько искусственное построение говорит космологам, что пространство Вселенной представляет собой трехмерное многообразие (3-многообразие).

Сразу же возникает вопрос: а какое именно многообразие представляет нашу Вселенную? Математики давно установили, что их так много, что полного списка до сих пор не существует. Многолетние наблюдения показали, что Вселенная обладает рядом физических свойств, которые резко сокращают число возможных претендентов на ее форму. И одно из главных таких свойств топологии Вселенной — ее кривизна.

Согласно принятой на сегодняшний день концепции, примерно через 300 тысяч лет после Большого взрыва температура Вселенной упала до уровня, достаточного для объединения электронов и протонов в первые атомы (см. «Наука и жизнь» №№ 11, 12, 1996 г.). Когда это произошло, излучение, которое вначале рассеивалось заряженными частицами, внезапно получило возможность беспрепятственно проходить через расширяющуюся Вселенную. Это известное ныне как космическое микроволновое фоновое, или реликтовое, излучение удивительно однородно и обнаруживает только очень слабые отклонения (флуктуации) интенсивности от среднего значения (см. «Наука и жизнь» № 12, 1993 г.). Такая однородность может быть только во Вселенной, кривизна которой всюду постоянна.

Постоянство кривизны означает, что пространство Вселенной имеет одну из трех возможных геометрий: плоскую евклидову сферическую с положительной кривизной или гиперболическую с отрицательной. Эти геометрии обладают совершенно разными свойствами. Так, например, в евклидовой геометрии сумма углов треугольника равна точно 180 градусам. В сферической и гиперболической геометриях это не так. Если на сфере взять три точки и провести между ними прямые, то сумма углов между ними составит больше 180 градусов (вплоть до 360). В гиперболической же геометрии эта сумма меньше 180 градусов. Имеются и другие кардинальные отличия.

Так какую же геометрию для нашей Вселенной выбрать: евклидову, сферическую или гиперболическую?

Немецкий математик Карл Фридрих Гаусс еще в первой половине XIX столетия понимал, что реальное пространство окружающего мира может быть и неевклидовым. Проводя многолетние геодезические работы в Ганноверском королевстве, Гаусс задался целью с помощью прямых измерений исследовать геометрические свойства физического пространства. Для этого он выбрал три удаленные одна от другой горные вершины — Хохенгаген, Инзельберг и Броккен. Стоя на одной из этих вершин, он направлял отраженные зеркалами солнечные лучи на две другие и измерял углы между сторонами огромного светового треугольника. Тем самым он пытался ответить на вопрос: искривляются ли траектории световых лучей, проходящих над сферическим пространством Земли? (Кстати, примерно в это же время российский математик, ректор Казанского университета Николай Иванович Лобачевский предложил экспериментально исследовать вопрос о геометрии физического пространства, используя звездный треугольник.) Если бы Гаусс обнаружил, что сумма углов светового треугольника отличается от 180 градусов, то последовал бы вывод, что стороны треугольника искривлены и реальное физическое пространство неевклидово. Однако в пределах ошибки измерений сумма углов «проверочного треугольника Броккен — Хохенгаген — Инзельберг» составляла ровно 180 градусов.

Итак, в малых (по астрономическим меркам) масштабах Вселенная предстает как евклидова (хотя, конечно, экстраполировать выводы Гаусса на всю Вселенную нельзя).

Недавние исследования, проведенные с помощью высотных аэростатов, поднятых над Антарктидой, также подтверждают этот вывод. При измерении углового спектра мощности реликтового излучения был зарегистрирован пик, который, как полагают исследователи, может быть объяснен только существованием холодной черной материи — относительно больших, медленно движущихся объектов — именно в евклидовой Вселенной. Другие исследования также подтверждают этот вывод, что резко сокращает количество вероятных претендентов на возможную форму Вселенной.

Еще в тридцатых годах XX столетия математики доказали, что существует только 18 различных евклидовых трехмерных многообразий и, следовательно, только 18 возможных форм Вселенной вместо их бесконечного числа. Понимание свойств этих многообразий помогает экспериментально определить истинную форму Вселенной, так как целенаправленный поиск всегда эффективнее поиска вслепую.

Однако число возможных форм Вселенной можно сократить еще. Действительно, среди 18 евклидовых 3-многообразий имеется 10 ориентируемых и 8 неориентируемых. Поясним, что представляет собой понятие ориентируемости. Для этого рассмотрим интересную двухмерную поверхность — лист Мёбиуса. Его можно получить из прямоугольной полоски бумаги, перекрученной один раз и склеенной концами. Теперь возьмем на листе Мёбиуса точку а, проведем к ней нормаль (перпендикуляр), а вокруг нормали начертим небольшую окружность с направлением против часовой стрелки, если смотреть из конца нормали. Начнем перемещать точку вместе с нормалью и направленной окружностью по листу Мёбиуса. Когда точка обойдет весь лист и вернется в исходное положение (зрительно она будет на другой стороне листа, но в геометрии поверхность толщины не имеет), направление нормали изменится на обратное, а направление окружности — на противоположное. Такие траектории называются путями, обращающими ориентацию. А поверхности, имеющие их, называют неориентируемыми или односторонними. Поверхности же, на которых не существует обращающих ориентацию замкнутых путей, например сфера, тор и неперекрученная лента, называют ориентируемыми или двухсторонними. Заметим кстати, что лист Мёбиуса представляет собой евклидово неориентируемое двухмерное многообразие.

Если допустить, что наша Вселенная — неориентируемое многообразие, то физически это означало бы следующее. Если мы полетим с Земли вдоль замкнутой петли, обращающей ориентацию, то, конечно, вернемся домой, но окажемся в зеркальной копии Земли. Мы не заметим в себе никаких изменений, но по отношению к нам у остальных жителей Земли сердце окажется справа, все часы пойдут против часовой стрелки, а тексты предстанут в зеркальном отображении.

Маловероятно, что мы живем в таком мире. Космологи полагают, что если бы наша Вселенная была неориентируемой, то происходило бы излучение энергии из пограничных зон, в которых взаимодействуют материя и антиматерия. Однако ничего подобного никогда не наблюдалось, хотя теоретически и можно предположить, что подобные зоны существуют за пределами области Вселенной, доступной нашему взгляду. Поэтому резонно исключить из рассмотрения восемь неориентируемых многообразий и ограничить возможные формы нашей Вселенной десятью ориентируемыми евклидовыми трехмерными многообразиями.

ВОЗМОЖНЫЕ ФОРМЫ ВСЕЛЕННОЙ

Трехмерные многообразия в четырехмерном пространстве необычайно трудны для наглядного представления. Однако можно попытаться представить себе их структуру, если применить подход, используемый в топологии для визуализации двухмерных многообразий (2-многообразий) в нашем трехмерном пространстве. Все объекты в нем считаются как бы сделанными из какого-то прочного эластичного материала вроде резины, допускающего любые растяжения и искривления, но без разрывов, складок и склеек. В топологии фигуры, которые можно с помощью таких деформаций преобразовывать одну в другую, называют гомеоморфными; они имеют одинаковую внутреннюю геометрию. Поэтому с точки зрения топологии бублик (тор) и обычная чашка с ручкой — одно и то же. А вот футбольный мяч перевести в бублик невозможно. Эти поверхности топологически различны, то есть имеют различные внутренние геометрические свойства. Однако если на сфере вырезать круглую дырку и приделать к ней одну ручку, то получившаяся фигура уже будет гомеоморфна тору.

Существует множество поверхностей, которые топологически отличны от тора и сферы. Например, добавив к тору ручку, подобную той, что мы видим у чашки, мы получим новую дырку, а значит, и новую фигуру. Тор с ручкой будет гомеоморфен фигуре, напоминающей крендель, которая в свою очередь гомеоморфна сфере с двумя ручками. Добавление каждой новой ручки создает еще одну дырку, а значит, и другую поверхность. Таким способом можно получать бесконечное их количество.

Все такие поверхности называются двухмерными многообразиями или просто 2-многообразиями. Это означает, что вокруг любой их точки можно очертить окружность произвольного радиуса. На поверхности Земли можно нарисовать круг, содержащий ее точки. Если мы видим только такую картину, резонно считать, что она представляет собой бесконечную плоскость, сферу, тор или вообще любую другую поверхность из бесконечного числа торов или сфер с различным числом ручек.

Эти топологические формы могут быть довольно сложны для понимания. И чтобы легче и отчетливее представи ть их себе, склеим цилиндр из квадратного листа бумаги, соединив его левую и правую стороны. Квадрат в этом случае называется фундаментальной областью для тора. Если теперь мысленно склеить основания цилиндра (материал цилиндра эластичен), получится тор.

Представим себе, что есть некое двухмерное существо, скажем насекомое, движение которого по поверхности тора нужно исследовать. Сделать это непросто, и гораздо удобнее наблюдать его движение по квадрату — пространству с той же топологией. Этот прием имеет два преимущества. Во-первых, позволяет наглядно увидеть путь насекомого в трехмерном пространстве, следя за его перемещением в двухмерном пространстве, а во-вторых, позволяет оставаться в рамках хорошо развитой евклидовой геометрии на плоскости. В евклидовой геометрии содержится постулат о параллельных прямых: для любой прямой линии и точки вне ее существует единственная прямая, параллельная первой и проходящая через эту точку. Кроме того, сумма углов плоского треугольника в точности равна 180 градусам. Но поскольку квадрат описывается евклидовой геометрией, мы можем распространить ее на тор и утверждать, что тор — евклидово 2-многообразие.

Неразличимость внутренних геометрий для самых разных поверхностей связана с важной их топологической характеристикой, называемой развертываемостью. Так, поверхности цилиндра и конуса выглядят совершенно различными, но тем не менее их геометрии абсолютно одинаковы. Обе они могут быть развернуты в плоскости без изменения длин отрезков и углов между ними, поэтому для них справедлива евклидова геометрия. Это же относится и к тору, поскольку он представляет собой поверхность, развертывающуюся в квадрат. Такие поверхности называют изометричными.

Бесчисленное число торов можно сформировать и из других плоских фигур, например из различных параллелограммов или шестиугольников, склеивая их противоположные края. Однако для этого годится далеко не каждый четырехугольник: длины его склеенных сторон должны быть одинаковы ми. Такое требование необходимо, чтобы избежать при склейке удлинений или сжиманий краев области, которые нарушают евклидову геометрию поверхности.

Теперь перейдем к многообразиям большей размерности.

ПРЕДСТАВЛЕНИЕ ВОЗМОЖНЫХ ФОРМ ВСЕЛЕННОЙ

Попробуем представить себе возможные формы нашей Вселенной, которые, как мы уже видели, надо искать среди десяти ориентируемых евклидовых трехмерных многообразий.

Для представления евклидова 3-многообразия применим использованный выше метод для двухмерных многообразий. Там мы использовали в качестве фундаментальной области тора квадрат, а для представления трехмерного многообразия станем брать трехмерные объекты.

Возьмем вместо квадрата куб и подобно тому, как мы склеивали противоположные края квадрата, склеим вместе противоположные грани куба во всех их точках.

Получившийся трехмерный тор представляет собой евклидово 3-многообразие. Если мы каким-то образом оказались бы в нем и посмотрели вперед, то увидели бы свой затылок, а также свои копии в каждой грани куба — впереди, сзади, слева, справа, вверху и внизу. За ними мы бы увидали бесконечное множество других копий, подобно тому, как если бы оказались в комнате, где стены, пол и потолок покрыты зеркалами. Но изображения в трехмерном торе будут прямыми, а не зеркальными.

Важно отметить круговую природу этого и многих других многообразий. Если бы Вселенная действительно имела такую форму, то, покинув Землю и летя без каких-либо изменений курса, мы в конце концов вернулись бы домой. Нечто подобное наблюдается и на Земле: двигаясь на запад вдоль экватора, мы рано или поздно вернемся в исходную точку с востока.

Разрезав куб на тонкие вертикальные слои, мы получим набор квадратов. Противоположные края этих квадратов должны быть склеены вместе, потому что они составляют противоположные грани куба. Так что трехмерный тор оказывается кольцом, состоящим из двухмерных торов. Вспомним, что передний и задний квадраты также склеены и служат гранями куба. Топологи обозначают такое многообразие как T²xS¹, где T² означает двухмерный тор, а S¹ — кольцо. Это пример связки, или пучка, торов.

Трехмерные торы могут быть получены не только с помощью куба. Подобно тому как параллелограмм образует 2-тор, склеивая противоположные грани параллелепипеда (трехмерного тела, ограниченного параллелограммами), мы создадим 3-тор. Из разных параллелепипедов образуются пространства с различными замкнутыми путями и углами между ними.

Эти и все другие конечные многообразия очень просто включаются в картину расширяющейся Вселенной. Если фундаментальная область многообразия постоянно расширяется, образованное ею пространство будет расширяться тоже. Каждая точка в расширяющемся пространстве все дальше отдаляется от остальных, что в точности соответствует космологической модели. При этом, однако, нужно принять во внимание, что точки вблизи одной грани всегда будут соседствовать с точками на противоположной грани, поскольку, вне зависимости от размера фундаментальной области, противоположные грани склеены.

Следующее трехмерное многообразие, похожее на трехмерный тор, называется 1/2—повернутое кубическое пространство. В этом пространстве фундаментальной областью снова служит куб или параллелепипед. Четыре грани склеены как обычно, а оставшиеся две, передняя и задняя, склеены с поворотом на 180 градусов: верхняя часть передней грани приклеена к нижней части задней. Если бы мы оказались в таком многообразии и посмотрели на одну из этих граней, то увидели бы собственную копию, но перевернутую вверх ногами, за ней обычную копию и так до бесконечности. Подобно трехмерному тору, фундаментальная область 1/2-повернутого кубического пространства может быть нарезана на тонкие вертикальные слои, так что при склейке получится снова пучок двухмерных торов, с той только разницей, что на этот раз передний и задний торы склеены с поворотом на 180 градусов.

1/4-повернутое кубическое пространство получается так же, как предыдущее, но с поворотом на 90 градусов. Однако поскольку поворот осуществляется только на четверть, оно может получиться не из всякого параллелепипеда — его передняя и задняя части должны быть квадратами, чтобы избежать искривления и перекашивания фундаментальной области. В передней грани куба мы увидели бы за своей копией еще одну, повернутую относительно ее на 90 градусов.

1/3-повернутое шестиугольное призматическое пространство использует в качестве фундаментальной области не куб, а шестиугольную призму. Для его получения нужно склеить каждую грань, представляющую собой параллелограмм, с ее противоположной гранью, а две шестиугольные грани — с поворотом на 120 градусов. Каждый шестиугольный слой этого многообразия — тор, и, таким образом, пространство также представляет собой пучок торов. Во всех шестиугольных гранях мы увидели бы копии, повернутые на 120 градусов относительно предыдущей, а копии в гранях — параллелограммах — прямые.

1/6-повернутое шестиугольное призматическое пространство сконструировано подобно предыдущему, но с той разницей, что передняя шестиугольная грань приклеена к задней с поворотом на 60 градусов. Как и прежде, в получившемся пучке торов оставшиеся грани — параллелограммы — приклеены одна к другой непосредственно.

Двойное кубическое пространство радикально отличается от предыдущих многообразий. Это конечное пространство уже не является пучком торов и имеет необычную структуру склейки. Двойное кубическое пространство, однако, использует простую фундаментальную область, которая представляет собой два куба, расположенных один на другом. При склейке не все грани соединяются напрямую: верхние передняя и задняя грани приклеиваются к граням, расположенным непосредственно под ними. В этом пространстве мы бы видели себя в своеобразной перспективе — ступни ног оказались бы прямо перед глазами.

На этом заканчивается список конечных ориентируемых евклидовых трехмерных, так называемых компактных многообразий. Вполне вероятно, что среди них и нужно искать форму нашей Вселенной.

Многие космологи полагают, что Вселенная конечна: трудно представить себе физический механизм возникновения бесконечной Вселенной. Тем не менее рассмотрим четыре оставшихся ориентируемых некомпактных евклидовых трехмерных многообразия, пока не получены реальные данные, исключающие их существование.

Первое и самое простое бесконечное трехмерное многообразие — евклидово пространство, которое изучается в средней школе (оно обозначается R³). В этом пространстве три оси декартовых координат простираются до бесконечности. В нем мы не видим никаких своих копий, ни прямых, ни повернутых, ни перевернутых.

Следующее многообразие — так называемое пластинчатое пространство, фундаментальной областью которого служит бесконечная пластина. Верхняя часть пластины, представляющая собой бесконечную плоскость, приклеивается напрямую к ее нижней части, также бесконечной плоскости. Эти плоскости должны быть параллельны одна другой, но могут быть произвольно сдвинуты при склейке, что несущественно, учитывая их бесконечность. В топологии это многообразие записывается как R²xS¹, где R² обозначает плоскость, а S¹ — кольцо.

Последние два 3-многообразия используют в качестве фундаментальных областей бесконечно длинные трубки. Трубки имеют четыре стороны, их сечения представляют собой параллелограммы, они не имеют ни верха, ни низа — четыре их стороны простираются бесконечно. Как и раньше, характер склейки фундаментальной области определяет форму многообразия.

Трубчатое пространство формируется посредством склейки обеих пар противоположных сторон. После склеивания первоначальное сечение в виде параллелограмма становится двухмерным тором. В топологии это пространство записывается как произведение T²xR¹.

Повернув на 180 градусов одну из склеиваемых поверхностей трубчатого пространства, получим повернутое трубчатое пространство. Этот поворот с учетом бесконечной длины трубки придает ему необычные характеристики. Например, две точки, расположенные очень далеко одна от другой, по разным концам фундаментальной области, после склейки окажутся рядом.

Какова же все-таки форма нашей Вселенной?

Чтобы из приведенных выше десяти евклидовых 3-многообразий выбрать одно в качестве формы нашей Вселенной, необходимы дополнительные данные астрономических наблюдений.

Проще всего было бы отыскать копии нашей Галактики в ночном небе. Обнаружив их, мы сможем установить характер склейки фундаментальной области Вселенной. Если окажется, что Вселенная представляет собой 1/4-повернутое кубическое пространство, то прямые копии нашей Галактики будут видны с четырех сторон, а повернутые на 90 градусов — с оставшихся двух. Однако, несмотря на кажущуюся простоту, этот способ мало пригоден для установления формы Вселенной.

Свет распространяется с конечной скоростью, поэтому, наблюдая Вселенную, мы, в сущности, смотрим в прошлое. Даже если мы однажды обнаружим изображение нашей Галактики, то не сможем узнать ее, потому что в свои «молодые годы» она выглядела совершенно иначе. Слишком сложно из огромного количества галактик узнать копию нашей.

В начале статьи говорилось, что Вселенная имеет постоянную кривизну. Однородность космического микроволнового фонового излучения прямо указывает на это. Однако оно имеет легкие пространственные вариации, примерно 10^-5 кельвинов, показывающие, что в ранней Вселенной имели место незначительные флуктуации плотности вещества. Когда расширяющаяся Вселенная остывала, материя в этих областях со временем создала галактики, звезды и планеты. Карта микроволнового излучения позволяет посмотреть в прошлое, во времена первоначальных неоднородностей, увидеть наметки Вселенной, которая была тогда в тысячу раз меньше. Чтобы оценить значение этой карты, рассмотрим гипотетический пример: Вселенная в виде двухмерного тора.

В трехмерной Вселенной мы наблюдаем небо по всем направлениям, то есть в пределах сферы. Двухмерные жители двухмерной Вселенной смогли бы наблюдать его только в пределах круга. Если бы этот круг был меньше фундаментальной области их Вселенной, они не могли бы получить никаких указаний о ее форме. Если, однако, круг видения двухмерных созданий больше фундаментальной области, они смогли бы увидеть пересечения и даже повторение образов Вселенной и попытаться найти точки с одинаковыми температурами, которые соответствуют одной и той же ее области. Если в их круге видения оказалось бы достаточно много таких точек, они смогли бы заключить, что живут в торовой Вселенной.

Несмотря на то, что мы живем в трехмерной Вселенной и видим сферическую область, перед нами встает та же проблема, что и перед двухмерными созданиями. Если наша сфера видения меньше фундаментальной области Вселенной 300 000-летней давности, мы ничего необычного не увидим. В противном случае сфера будет пересекать ее по кругам. Обнаружив два круга, имеющих одинаковые вариации микроволнового излучения, космологи смогут сравнить их ориентацию. Если круги расположены крест-накрест, это будет означать наличие склейки, но без поворота. Некоторые из них, однако, могут сочетаться в соответствии с поворотом на четверть или на половину. Если этих кругов удастся обнаружить достаточно много, тайна фундаментальной области Вселенной и ее склейки будет раскрыта.

Однако до тех пор, пока не появится точная карта микроволнового излучения, космологи никаких заключений сделать не смогут. В 1989 году исследователи из НАСА попытались создать карту реликтового излучения космического пространства. Однако угловое разрешение спутника составляло порядка 10 градусов, что не позволило сделать точные измерения, удовлетворяющие космологов. Весной 2002 года НАСА предприняло вторую попытку и запустило зонд, который нанес на карту температурные флуктуации с угловым разрешением уже порядка 0,2 градуса. В 2007 году Европейское космическое агентство планирует использовать спутник «Планк», имеющий угловое разрешение 5 дуговых секунд.

Если запуски пройдут успешно, то в течение четырех-десяти лет будут получены точные карты флуктуаций реликтового излучения. И если размер сферы нашего видения окажется достаточно большой, а измерения — достаточно точными и надежными, мы наконец узнаем, какую форму имеет наша Вселенная.

По материалам журналов «American Scientist» и «Popular Science».

Как выглядит вселенная со стороны. Как выглядит Вселенная – грандиозные масштабы

Вселенная! Курс выживания [Среди черных дыр. временных парадоксов, квантовой неопределенности] Голдберг Дэйв

II. Как выглядит край Вселенной?

Разговор о Тентакулюсе VII наталкивает нас на важные размышления. Если бы у нас были такие мощные телескопы, что в них можно было бы разглядеть родную планету доктора Калачика, мы бы увидели не то, что там происходит сегодня, а то, что было примерно миллиард лет назад. А если бы мы поглядели на другую, еще более отдаленную галактику, то заглянули бы в еще более отдаленное прошлое. Именно так ученые и изучают ранние стадии развития Вселенной – они смотрят, что происходит в очень далеких галактиках.

Однако за самыми дальними галактиками существует предел, за который мы заглянуть не в силах. На Земле мы называем этот предел горизонтом, но точно такой же горизонт существует и у Вселенной в целом. Заглянуть за горизонт мы не можем, так как свет распространяется с постоянной скоростью. А поскольку Вселенная существует относительно недавно, всего каких-то 13,7 миллиарда лет, все, что расположено дальше, чем 13,7 миллиарда световых лет, еще некоторое время не будет доступно нашему глазу.

А откуда, собственно, взялась эта дата «начала Вселенной»? Начнем с конца. Если все галактики во Вселенной удаляются друг от друга, значит, когда-то в прошлом был момент, когда они (или по крайней мере атомы, которые их составляют) сидели друг у друга на голове. Это «событие» мы называем Большим взрывом, который стал причиной крупных заблуждений, всяческой путаницы и написания следующей главы.

Оценить, когда произошел Большой взрыв, мы сумеем, если вспомним, что скорость – это отношение расстояния ко времени. Предположив (ошибочно, как выясняется, но пока что такая погрешность нас устраивает), будто скорость удаления галактики, где расположен Тентакулюс, с начала времен постоянна, мы можем вычислить скорость Вселенной при помощи простых магоматематических выкладок. Только подумайте: чем дальше от нас галактика находится сегодня, тем старше наша Вселенная, поскольку все разбегается друг от друга в известном нам темпе. Подставим в это простенькое линейное уравнение переменные, справедливые для нашей Вселенной, и прикинем, что возраст Вселенной – около 13,8 миллиарда лет: смотрите, результат почти такой же, как если бы вы проделали все вычисления точно и с нужными поправками.

Если бы у нас был достаточно мощный телескоп, смогли бы мы своими глазами увидеть зарождение Вселенной? Почти, но не совсем. Нынешний рекордсмен по дальности, объект по прозвищу A 1689-zD1, находится от нас на таком расстоянии, что его изображение, видное в космический телескоп «Хаббл», относится к тому времени, когда Вселенная насчитывала всего 700 миллионов лет от роду (около 5?% ее нынешнего возраста), когда ее размер составлял меньше / 8 нынешнего.

Хуже того, A 1689-zD1 удаляется от нас со скоростью, примерно в 8 раз превышающей скорость света. (Мы подождем, а вы перелистайте книжку назад, на главу 1, где мы четко и недвусмысленно заявили, что это невозможно. ) Загадка мгновенно разрешится, если мы вспомним, что это Вселенная расширяется, а не галактика движется. Галактика стоит на месте.

Вам все еще кажется, что мы жульничаем? Вовсе нет. Специальная теория относительности не говорит, что предметы не могут удаляться друг от друга со скоростью больше скорости света. А говорит она следующее: если я отправлю в небо Бэт-сигнал, Бэтмен не сумеет перегнать его на Бэтплане, как бы ни пыжился. В более общем смысле это означает, что никакая информация (например, частица или сигнал) не может двигаться быстрее света. Это абсолютная правда, даже если Вселенная очень быстро расширяется. Мы не в состоянии использовать расширение Вселенной, чтобы обогнать луч света.

На самом деле мы способны заглянуть в прошлое даже дальше, чем A 1689-zD1, но для этого нам нужны радиоприемники. Мы можем заглянуть в то время, когда Вселенной было всего-навсего 380 тысяч лет от роду и она состояла всего лишь из бурлящей смеси водорода, гелия и крайне высокоэнергичного излучения.

Дальше все в тумане – буквально. Поскольку Вселенная на ранних стадиях своего развития была туго набита материей, это все равно что пытаться заглянуть за соседкины шторы. Что за ними, не видно, но мы знаем, как выглядит Вселенная сейчас и как она выглядела в каждый момент времени с ранних стадий до сегодняшнего дня, поэтому можем догадаться, что находится за этой космической шторой. Так и подмывает за нее заглянуть, правда?

Так вот, хотя заглянуть за горизонт мы не в силах, зато видим достаточно много, чтобы удовлетворять собственное и чужое любопытство за государственный счет. Самое прекрасное – чем дольше мы ждем, тем старше становится Вселенная и тем дальше отодвигается горизонт. Иначе говоря, существуют далекие уголки Вселенной, чей свет доходит до нас только сейчас.

А что же находится за горизонтом? Этого никто не знает, но мы вправе делать обоснованные догадки. Помните, что Коперник и его последователи ясно показали нам: «Когда куда-нибудь идешь, то все равно куда-нибудь придешь», поэтому можно предположить, что за горизонтом Вселенная выглядит примерно так же, как и здесь. Конечно, там будут другие галактики, но их окажется примерно столько же, что и вокруг нас, и выглядеть они будут примерно так же, как и наши соседки. Но это не обязательно правда. Мы выдвигаем такое предположение, поскольку у нас нет причин думать иначе.

Из книги
Черные дыры и молодые вселенные
автора

Хокинг Стивен Уильям

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

Из книги
Новейшая книга фактов. Том 3 [Физика, химия и техника. История и археология. Разное]
автора

Кондрашов Анатолий Павлович

Из книги
Тайны пространства и времени
автора

Комаров Виктор

Из книги
Вселенная. Руководство по эксплуатации [Как выжить среди черных дыр, временных парадоксов и квантовой неопределенности]
автора

Голдберг Дэйв

Из книги
Движение. Теплота
автора

Китайгородский Александр Исаакович

Из книги
Достучаться до небес [Научный взгляд на устройство Вселенной]
автора

Рэндалл Лиза

Из книги
Твиты о вселенной
автора

Чаун Маркус

Из книги
Интерстеллар: наука за кадром
автора

Торн Кип Стивен

II. Как выглядит край Вселенной?
Разговор о Тентакулюсе VII наталкивает нас на важные размышления. Если бы у нас были такие мощные телескопы, что в них можно было бы разглядеть родную планету доктора Калачика, мы бы увидели не то, что там происходит сегодня, а то, что было

Из книги
Быть Хокингом
автора

Хокинг Джейн

Как выглядит тепловое движение
Взаимодействие между молекулами может иметь большее или меньшее значение в «жизни» молекул. Три состояния вещества – газообразное, жидкое и твердое – различаются одно от другого той ролью, которую в них играет взаимодействие

Из книги
автора

МАСШТАБЫ ВСЕЛЕННОЙ
Наше путешествие начинается в привычном нам масштабе — том самом, в котором мы живем, пользуемся разными вещами, видим и трогаем их. Неслучайно именно один метр — не одна миллионная его доля и не десять тысяч метров — лучше всего соответствует размеру

Из книги
автора

ЭКСКУРСИЯ ПО ВСЕЛЕННОЙ
Книга и фильм «Степени десяти» (Powers of Ten) — одно из классических путешествий по далеким мирам и измерениям — начинаются и заканчиваются изображением пары людей, сидящих на травке в парке в Чикаго; надо сказать, что это место подходит для начала

Из книги
автора

134. Как выглядит микроволновое небо?
Если посмотреть на ночное небо, вы увидите отдельные звезды. Но самое удивительное, что ночное небо в основном черное. Видимый свет — это только малая часть «электромагнитного спектра». Другие виды света (невидимого) включают

Из книги
автора

136. Как выглядит ультрафиолетовое небо?
Ультрафиолетовый (УФ) свет имеет длину волны от 10 до 400 нанометров (нм). Невидимый для человеческого глаза, но некоторые животные, например такие как пчелы, видят в этом диапазоне.УФ фотоны несут в себе гораздо больше энергии, чем

Из книги
автора

Как выглядит черная дыра
Мы, люди, принадлежим нашей бране. Мы не можем покинуть ее и попасть в балк (разве что какая-нибудь сверхразвитая цивилизация переправит нас туда в тессеракте или ином устройстве, как это произошло с Купером, см. главу 29). Следовательно,

Из книги
автора

Как выглядит проходимая червоточина
Как выглядит проходимая червоточина для нас с вами, для людей этой Вселенной? Я не могу ответить наверняка. Если червоточину возможно удерживать открытой, точный способ это сделать остается загадкой, поэтому про форму

Из книги
автора

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

• Перевод

Симуляция крупномасштабной структуры Вселенной демонстрирует сложные неповторяющиеся скопления. Но с нашей точки зрения мы можем видеть конечный объём Вселенной. Что лежит за его пределами?

13,8 млрд лет назад известная нам Вселенная началась с Большого взрыва. За это время расширилось пространство, материя испытывала гравитационное притяжение, и в результате мы получили такую Вселенную, какую наблюдаем сегодня. Но пусть она и огромна, у наших наблюдений есть пределы. На определённом расстоянии галактики исчезают, звёзды тускнеют, и никаких сигналов от удалённых частей Вселенной мы не получаем. А что же находится за этим пределом? На этой неделе читатель спрашивает:

Если Вселенная конечна в объёме, где находится её граница? Можно ли к ней приблизиться? Как она будет выглядеть?

Начнём с нашего текущего местоположения, и заглянем так далеко, как сумеем.

Видимые нами звёзды и галактики, расположенные поблизости, выглядят так же, как наши. Но чем дальше мы смотрим, тем глубже в прошлое Вселенной заглядываем: там она менее структурирована, моложе, и не так сильно развита

В непосредственной близости от нас Вселенная полна звёзд. Если улететь за 100 000 световых лет, то можно оставить за собой Млечный Путь. За ним простирается море галактик — возможно, два триллиона внутри наблюдаемой Вселенной. Существует огромное количество их разновидностей, форм, размеров и масс. Но разглядывая более удалённые галактики, можно увидеть нечто необычное: чем дальше галактика, тем вероятнее то, что она будет меньше по размеру и по массе, а её звёзды будут тяготеть к голубому цвету сильнее, чем у ближайших галактик.

Чем отличаются галактики в разное время истории Вселенной

Это имеет смысл при условии наличия у Вселенной начала: дня рождения. Именно этим и был Большой взрыв, день, когда родилась известная нам Вселенная. Возраст галактики, находящейся относительно недалеко от нашей, совпадает с нашим возрастом. Но рассматривая галактику, находящуюся в миллиардах световых лет от нас, мы видим свет, которому пришлось идти миллиарды лет, прежде чем он достиг наших глаз. Возраст галактики, свету которой потребовалось 13 млрд лет на то, чтобы дойти до нас, должен быть менее миллиарда лет, и заглядывая всё дальше в пространство мы, по сути, заглядываем в прошлое.

Композит из ультрафиолетового, видимого и инфракрасного света, полученный проектом Хаббла eXtreme Deep Field — величайшее из выпущенных изображение далёкой Вселенной

Выше приведено изображение проекта Хаббл eXtreme Deep Field (XDF), глубочайшее изображение удалённой Вселенной. На нём видны тысячи галактик, находящиеся на сильно различных расстояниях от нас и друг от друга. Но в простом цвете нельзя увидеть, что с каждой галактикой связан определённый спектр, в котором облака газа поглощают свет совершенно определённых длин волн, благодаря простой физике атома. С расширением Вселенной эта длина растягивается, поэтому более дальние галактики кажутся нам более красными. Эта физика позволяет нам делать предположения о расстоянии до них, и когда мы расставляем эти расстояния, выясняется, что самыми удалёнными галактиками оказываются самые молодые и мелкие.

За галактиками должны находиться первые звёзды, а затем ничего, кроме нейтрального газа — когда у Вселенной не было времени стянуть материю в достаточно плотные для формирования звёзд структуры. Пройдя ещё на несколько миллионов лет назад, мы увидим, что излучение во Вселенной было настолько горячим, что там не могли сформироваться нейтральные атомы, а значит фотоны постоянно отскакивали от заряженных частиц. Когда же нейтральные атомы сформировались, этот свет должен был просто пойти по прямой линии, и идти вечно, поскольку на него не влияет ничего, кроме расширения Вселенной. Открытие этого остаточного свечения — реликтового излучения — более 50 лет назад стало окончательным подтверждением Большого взрыва.

Систематическая диаграмма истории Вселенной, описывающая реионизацию . До формирования звёзд и галактик Вселенная была наполнена нейтральными атомами, блокировавшими свет. И хотя большая часть Вселенной подверглась реионизации только спустя 550 млн лет, некоторые более удачливые участки практически реионизировались раньше этого срока.

С нашего сегодняшнего местоположения мы можем посмотреть в любом направлении и увидеть одинаковый ход космической истории. Сегодня, спустя 13,8 млрд лет после Большого взрыва, у нас есть известные нам галактики и звёзды. Раньше галактики были меньше, голубее, моложе и не такие развитые. До того были первые звёзды, а до этого — только нейтральные атомы. До нейтральных атомов была ионизированная плазма, а до неё — свободные протоны и нейтроны, спонтанное возникновение материи и антиматерии, свободные кварки и глюоны, все нестабильные частицы Стандартной Модели, и, наконец, сам момент Большого взрыва. Заглядывать на всё более дальние расстояния — это всё равно, что заглядывать в прошлое.

Представление художника в виде логарифмической концепции наблюдаемой Вселенной. За галактиками следует крупномасштабная структура и горячая, плотная плазма Большого взрыва на задворках. Край является границей только во времени.

Хотя это определяет нашу наблюдаемую Вселенную — с теоретической границей Большого взрыва, находящейся в — это не будет какой-то реальной границей пространства. Это просто граница во времени; существуют ограничения того, что мы можем увидеть, поскольку скорость света позволила информации путешествовать только 13,8 млрд лет с момента горячего Большого взрыва. Это расстояние больше 13,8 млрд световых лет, поскольку ткань Вселенной расширялась (и продолжает расширяться), но оно всё равно конечно. Но что насчёт времени до Большого взрыва? Что бы вы увидели, если бы как-то попали за одну долю секунды до того, как Вселенная обладала высочайшей из энергий, была плотной, горячей, полной материи, антиматерии и излучения?

Инфляция обеспечила горячий Большой взрыв и дала рост наблюдаемой Вселенной, к которой у нас есть доступ. Флуктуации инфляции заронили семена, выросшие в имеющуюся у неё сегодня структуру

Вы бы обнаружили состояние космической инфляции, в котором Вселенная расширялась чрезвычайно быстро, и в котором доминировала энергия, присущая самому пространству. Пространство в это время экспоненциально расширялось, было растянуто до плоского состояния, приобрело одинаковые свойства во всех местах, существовавшие тогда частицы были разбросаны в разные стороны, а флуктуации, присущие квантовым полям, были растянуты по всей Вселенной. Когда инфляция закончилась в том месте, где находимся мы, горячий Большой взрыв наполнил Вселенную материей и излучением, и породил ту часть Вселенной — наблюдаемую Вселенную — которую мы видим сегодня. И вот, 13,8 млрд лет спустя, мы имеем то, что имеем.

Наблюдаемая Вселенная может простираться на 46 млрд световых лет во все стороны с нашей точки зрения, но наверняка есть и больше ненаблюдаемых частей Вселенной, возможно, даже бесконечное количество, похожих на ту, в которой находимся мы

Наше расположение ничем особенным не отличается, ни в пространстве, ни во времени. То, что мы можем видеть на 46 млрд световых лет, не придаёт какого-то особого значения этой границе или этому местоположению. Это просто ограничение нашего поля зрения. Если бы мы каким-то образом смогли сделать фотографию всей Вселенной, простирающуюся за наблюдаемую границу, такой, какой она стала через 13,8 млрд лет после Большого взрыва, она бы вся выглядела так, как наша ближайшая часть. В ней была бы великая космическая сеть галактик, скоплений, галактических нитей , космических войдов , простирающихся за пределы относительно небольшого участка, видимого нам. Любой наблюдатель в любом месте увидел бы Вселенную, очень похожую на ту, что мы видим со своей точки зрения.

Одно из самых удалённых наблюдений Вселенной демонстрирует расположенные неподалёку звёзды и галактики, но галактики из внешних участков просто выглядят моложе и менее развитыми. С их точки зрения им 13,8 млрд лет от роду, и они более развитые, а мы кажемся им такими, какими были миллиарды лет назад

Отдельные детали отличались бы, как отличаются детали нашей Солнечной системы, Галактики, местной группы и т. п. от деталей другого наблюдателя. Но Вселенная не ограничена в объёме — ограничена только её наблюдаемая нами часть. Причиной тому временная граница — Большой взрыв — отделяющая нас от остальной части. Мы можем приблизиться к ней только при помощи телескопов, заглядывающих в ранние дни Вселенной, и в теории. Пока мы не придумаем, как обхитрить текущее в одну сторону время, это будет нашим единственным подходом к пониманию «границы» Вселенной. Но в космосе никаких границ нет. Насколько мы знаем, некто на краю нашей наблюдаемой Вселенной просто увидел бы нас на краю своей наблюдаемой Вселенной!

Добавить метки

Ученые впервые получили серьезное доказательство того, что рядом с нашим миром находятся еще несколько

Тайны небесной карты

К сенсационным
выводам подтолкнули данные, полученные с помощью космического телескопа
Планка (European Space Agency»s Planck satellite). Ученые создали самую
точную карту микроволнового фона — так называемого реликтового
излучения, сохранившегося с момента зарождения Вселенной. И увидели
более, чем странные следы.

Считается, что это самое реликтовое
излучение, которыми наполнено пространство, является отголоском Большого
Взрыва — когда 13,8 миллиардов лет назад нечто невообразимо крошечное и
невероятно плотное вдруг «взорвалось», расширилось и превратилось в
окружающий нас мир. То есть, в нашу Вселенную.

Понять как
произошел «акт творения» не получится при всем желании. Лишь с помощью
весьма отдаленной аналогии можно представить будто бы что-то
громыхнуло-полыхнуло и унеслось. Но остались то ли «эхо», то ли
«отсвет», то ли некие ошметки. Они-то и образовали мозаику, которая
представлена на карте, где светлые («горячие») участки соответствуют
более мощному электромагнитному излучению. И наоборот.

«Горячие»
и «холодные» пятна микроволнового фона должны бы чередоваться
равномерно. Но карта свидетельствует: упорядоченного распределения нет. С
южной части небосвода идет гораздо более мощное реликтовое излучение,
чем с северной. И что совсем удивительно: мозаика изобилует темными
провалами — некими дырами и протяженными прорехами, появление которых
невозможно объяснить с позиций современной физики.

Соседи дают о себе знать

Еще
в 2005 году физик-теоретик Лаура Мерсини-Хоутон (Laura
Mersini-Houghton) из Университета Северной Каролины (University of North
Carolina at Chapel Hill) и ее коллега Ричард Холман (Richard Holman),
профессор Университета Карнеги-Меллон (professor at Carnegie Mellon
University) предсказали
существование аномалий микроволнового фона. И предположили, что
возникли они из-за того, что на нашу Вселенную оказывают влияние другие
Вселенные, расположенные рядом. Аналогичным образом на потолке вашей квартиры возникают пятна от «протекших» соседей, которые дали о себе знать такими вот наглядными аномалиями «штукатурного фона».

На
прежней — менее четкой — карте, составленной по данным зонда НАСА WMAP
(Wilkinson Microwave Anisotropy Probe), летавшего с 2001 года, ничего
совсем уж из ряда вон выходящего видно не было. Одни намеки. А теперь —
картина ясная. И сенсационная. По мнению ученых, наблюдаемые аномалии
означают как раз то, что наша Вселенная не одинока. Других —
бесчисленное множество.

Лаура и Ричард тоже не одиноки в своих
воззрениях. К примеру, Стефан Финей (Stephen Feeney) из лондонского
университетского колледжа (University College London) увидел на картине
микроволнового фона, как минимум, четыре аномально «холодных» круглых
пятна, которые он назвал «синяками». И теперь доказывает, что эти
«синяки» возникли от непосредственных ударов соседних Вселенных по
нашей.

По его мнению, Стефанна, Вселенные возникают и пропадают
словно пузыри пара в кипящей жидкости. А возникнув, сталкиваются. И
отскакивают друг от друга, оставляя следы.

Куда их несет?

Несколько
лет назад группа специалистов НАСА под руководством астрофизика
Александра Кашлинского обнаружили странное поведение примерно у 800
отдаленных галактических скоплений. Оказалось, что все они летят в одном
направлении — в определенную часть космоса — со скоростью в 1000
километров в секунду. Это вселенское перемещение было названо «Темным
потоком».

Недавно выяснилось, что «Темный поток» охватывает аж
1400 галактических скоплений. И несет их в район, расположенный где-то у
границ нашей Вселенной. С чего бы это? Либо там — за пределами,
недоступными наблюдениям, — расположена некая невероятно огромная масса,
которая и притягивает материю. Что маловероятно. Либо галактики
засасывает в другую Вселенную.

Из мира в мир перелетая

Можно ли попасть из нашей Вселенной в какую-нибудь другую? Или соседи отделены некой непреодолимой преградой?

Преграда преодолима, — считают профессор Тибо Дамур (Thibault Damour)
из французского Института передовых научных исследований (Institut des
Hautes E»tudes Scientifiques — IHE»S) и его коллега доктор
физико-математических наук Сергей Солодухин из московского Физического
института РАН имени Лебедева (ФИАН), который сейчас трудится в
германском Бременском международном университете (International
University Bremen). По мнению ученых, существуют ходы, ведущие в иные
миры. Со стороны они — эти ходы — выглядят в точности как «черные
дыры». Но на самом деле им не являются.

Тоннели, которые соединяют
отдаленные части нашей Вселенной, одни астрофизики называют
«червоточинами» (wormholes), другие — «кротовыми норами». Суть в том,
что, нырнув в такую нору, можно чуть ли не мгновенно вынырнуть
где-нибудь в другой галактике, удаленной на миллионы, а то на миллиарды
световых лет. По крайней мере теоретически подобное путешествие
возможно в пределах нашей Вселенной. А если верить Дамуру и Солодухину,
то вынырнуть можно еще дальше — вообще в другой Вселенной. Не закрыта
вроде бы и обратная дорога.

Ученые посредством расчетов
представили, как должны выглядеть «кротовые норы», ведущие именно в
соседние Вселенные. И оказалось, что подобные объекты ничем особенно не
отличаются от уже известных «черных дыр». И ведут они себя так же —
поглощают материю, деформируют ткань пространства-времени.

Единственная
существенная разница: сквозь «нору» можно пробраться. И остаться целым.
А «черная дыра» разорвет своим чудовищным гравитационным полем
приближающийся к ней корабль на атомы.

К
сожалению, Тибо и Солодухин не знают, как с большого расстояния
безошибочно отличить «черную дыру» от «кротовой норы». Мол, это
выяснится только в процессе погружения в объект.

От «черных дыр»,
правда, исходит излучение — так называемое излучение Хокинга. А
«кротовые норы» ничего не испускают. Но излучение столь мало, что
уловить его невероятно трудно на фоне других источников.

Не понятно пока, и сколько времени займет скачок в другую Вселенную. Может быть, доли секунды, а может быть миллиарды лет.

И
самое удивительное: по мнению ученых «кротовые норы» можно создать
искусственно — на Большом адронном коллайдере (БАК), сталкивая частицы
на энергии, многократно превосходящей ныне достигнутый уровень. То
есть, будут образовываться не «черные дыры», которыми пугали еще до
начала экспериментов по моделированию Большого взрыва, а открываться
«кротовые норы». Насколько страшно конкретно такое развитие событий,
физики пока не объяснили. Но сама перспектива — создать вход в другую
Вселенную — выглядит заманчиво.

КСТАТИ

Мы живем внутри футбольного мяча

Еще
недавно ученые предлагали множество вариантов формы нашего мира: от
банального шара-пузыря, до тора-бублика, параболоида. Или даже … чашки с
ручкой. Ну, не видно с Земли, как выглядит Вселенная со стороны. Однако
теперь, приглядевшись к картине распределения реликтового излучения,
астрофизики сделали вывод: Вселенная похожа на футбольный мяч, «сшитый»
из пятиугольников — додекаэдров, по научному.

— «Мяч»,конечно,
огромный, — говорит Дуглас Скотт из Университета Британской Колумбии
(Канада), — но не настолько, чтобы считать его бесконечным.

Ученые
снова ссылаются на странный порядок распределения «холодных» и
«горячих» участков. И полагают, что «узор» такого масштаба мог
возникнуть лишь в ограниченной по размерам Вселенной. Из вычислений
следует: от края до края всего-то 70 миллиардов световых лет.

А
что там за краем? Об этом предпочитают не думать. Объясняют:
пространство словно бы замкнуто само на себя. И тот «мяч», в котором мы
живем, будто бы «зеркальный» изнутри. И если послать с Земли луч в
любую сторону, то он обязательно когда-нибудь вернется обратно. А
некоторые лучи якобы уже вернулись, отразившись от «зеркального края». И
не по одному разу. Мол, от этого астрономы видят некоторые (одни и те
же) галактики в разных частях небосвода. Да еще и с разных сторон.

Наука давным-давно уже ушла от перво­бытных и средневековых представлений о мире. Мы все давным-давно знаем, что наша Земля круглая, что она вращается вокруг Солнца, что Солнечная система входит в спи­ральную галактику Млеч­ный Путь.
Что существует невиданное и бесчисленное множество звезд и галак­тик кроме нашей. Наука также знает, что наша Все­ленная родилась во время Большого Взрыва и про­должает расширяться.

Но почему произошел этот Большой Взрыв, что было до него, откуда взя­лось все видимое нами ве­щество и материя, ученые пока досконально не зна­ют и лишь строят различ­ные гипотезы.

Они даже представить себе не могут, что находит­ся за пределами нашей Вселенной, что из себя представляет Бесконечность, из чего состоит Вселенная.

Ответы на эти вопросы были получены на контакте от Учителей из тонкого мира, а я лишь попыталась записать это.

Итак, из чего же состоит Вселенная?

Наука уже догадалась, что близкой разгадкой к это­му вопросу является вакуум. Вакуум — это материаль­ное «ничто». Пустота, как говорят буддисты. Это праматерия и прадух одновременно не имеющий атомов и даже элементарных частиц. Можно сказать, что вакуум — это материальный дух. Ученые не могут его пощу­пать руками. И сильно удивля­ются, почему из вакуума, из этого «ничто», появляется «что», то есть то, что мож­но потрогать.

Они никак не поймут по своим приборам, как это получается. Каким образом из вакуумных структур, при помощи чего образуются элементарные частицы.

Вакуум — это непроявленная мате­рия. Все атомы, элементар­ные частицы, вещества и даже предметы, состоящие из них, находятся в вакууме и ниоткуда не появляются.

Просто вы их не видите, потому что они тонкомате­риальны. Они проявляют­ся в грубую материю, когда снижают свои вибрации.

Наука знает скорость зву­ка и скорость света, но суще­ствует еще одна скорость, достигая которую, частица исчезает. При этом она ста­новится невидимой для всей грубой материи.

Такое происходит, когда частица превышает ско­рость света. Когда же она превышает следующую сту­пень скорости, она становит­ся не только невидима, но и неощутима. То есть, для вас она превращается в ничто.

На самом же деле она просто переходит в состояние вакуума и перестает быть ча­стицей материальной, она теряет свою форму и переходит в мир без форм.

Она становится тем, чем была изначально, а именно — мыслеобразом Абсолюта. Хотя само понятие «мыслеобраз» применено здесь только для вашего понимания, на самом деле это нечто другое, это некая волна, импульс Единого Абсолютного Сознания, вмещающего в себе и материю и дух и, грубо говоря, все программы так называемого творения или создания материи грубой.

Вселенная состит из этих «мыслеобразов» или импульсов.

Из мира без форм при первом импульсе возникает как бы энергетический каркас – бесконечный кристалл. Затем в узлах его кристаллической решетки происходит выпадение в осадок или конденсация импульсов «творения», сгущение их – так получаются формы. Но все происходит не хаотично а по заданной программе. Это можно сравнить с суперкомпьютером, но не статическим и выполняющим только заданные ему человеком команды, как ваши машины, а живым и постоянно меняющимся. В конце концов в этих сгущениях проявляется и грубая, физическая материя, которую могут засвидетельствовать ваши приборы.

Таким образом из ниче­го получается материя. Но в кристалле вакуума не­считанное количество гра­ней — больших и малых, гра­ней, составляющих более малые кристаллы, входящие в его структуру.

В узлах разных по масштабу кристаллических решеток происходит своя конденсация вещества. Весь процесс этой конденсации происходит одновременно. И при этом кристалл как бы разворачивается из сложенного до бесконечности состояния. Его быстрое развертывание с одновременным проявлением или конденсацией вещества и выглядит как Большой взрыв.

Во время Большого взрыва «импульсы творения» очень быстро превращаются в формы, проявляя пространства различных вибраций, в том числе и «материальное», какое знаете вы. В нем из них создаются элементарные частицы, атомы, молекулы. Как?

…В узлах кристаллических решеток до бесконечности вставленных одна другую начинают скап­ливаться «пылевые» массы, и чем больший масштаб у кристаллической решетки, тем большая «пылевая» масса там образуется. Но эту «пыль» еще нельзя ощутить вашими приборами.

В конце концов ее ста­новится столько, что на нее начинают давить грани са­мой кристаллической ре­шетки, а любое давление вызывает энергию. Эта энергия у вас называется энергией гравитации. И «пылевая» масса скатывается в сферу. Эти сферы и есть – элементарные частицы. Они имеют разную массу, в завсимости от размеров решеток, в которых они образовались.

Это происходит на всех уровнях и масштабах кристаллических решеток, входя­щих одна в другую. Поэто­му и элементарная части­ца, и атом, и планета, и звезды — все имеет сфери­ческую форму.

На огромных узлах кри­сталлической решетки об­разуются гигантские скопления различных тел. Так рождаются звездные системы, га­лактики и метагалактики.

Причем все их прони­зывают подобные структуры, входя­щие в микромир до эле­ментарных частиц.

Но крис­талл «вакуума» настолько ог­ромен, что даже метага­лактики кажутся в нем не больше пылинки.

Мы описали Большой взрыв вашей Вселенной очень примитивным языком, потому что у вас нет понятий на то. Что происходит на самом деле.

Но ваша Вселенная не одна. Их столько. Что вы не вместите в сознании. Да и Большой взрыв – лишь хлопок, один из миллионов-миллионов. Это лишь возникновение «мыльного пузыря» на Пустоте Бесконечности. И этих «пузырей» в ней – целая бесонечность. И каждый из них – Вселенная, похожая на вашу, или нет.

И каждый «пузырек» надува­ется, как воздушный шарик. Галактики и метагалакти­ки, находящиеся на его плен­ке, при этом удаляются друг от друга. Это то, что сейчас наблюдают астрономы. Внутри же каждого пузырька находится «внутренний вакуум» Когда шарик раздуется до определенных пределов, внутренний вакуум, находя­щийся внутри шарика, станет таким разреженным, что его структуры переступят еще один порог вибраций. И при этом захватят в вихре своего спи­рального движения проявленную материю.

И тогда все формы, проявленного вашего мира и всех других миров, невидимых вам, но находящихся в вашей Вселенной начинают «схлопываться». Это можно наблюдать как исчезновение материальных форм из видимого вами мира. Наступает Ночь Брамы. Как говорят в Индии.

Цикл жизни материи в проявленном состоянии и в непроявленном в Индии на­зывают Манвантарой.

По вселенскому време­ни это — одни сутки. По зем­ному — вы сейчас прожили от Большого Взрыва около 13 миллиардов лет. И ваш пузырек Вселенной еще продолжает расширяться.

Нужно сказать, что вре­мя расширения, время су­ществования проявленной материи равно времени существования непроявленной материи.

Каждая Вселенная про­живает множество таких сво­их «суток». К сведению зем­лян, ваша Вселенная доволь­но молодая, она проживает всего лишь 33-ю Манвантару.

Но это намного больше, чем думают ученые, которые считают ее возраст от после­днего Большого Взрыва. Люди считают возраст своей Вселенной с утра 33-его дня ее существования.

Вселенных же таких, как внаша, великое множество. Многие из них прожили по миллиарду Манвантар.

Они напоминают гигантс­кую мыльную пену. Одни из них пропадают, на время впа­дая в состояние первозданно­го вакуума. Другие проявля­ются, встречая очередное утро новой Манвантары.

Но и это еще не конец. Гигантская «мыльная пена» Вселенных представляет собой лишь один из сверхпузырей подобной же пены но большего масштаба и так далее и так далее….

Но чем дальше мы бу­дем укрупнять масштаб, тем более тонкоматериаль­ными для вас окажутся те гигантс­кие структуры. Они все более и более будут не проявлены. Как бы будут утопать в первоздан­ном вакууме. Точно так же, как и самые мельчайше ча­стицы, которые уже извес­тны и еще не известны вашей науке легко погружа­ются в первозданный ваку­ум, превращаясь в ничто.

В этом смысл великой бесконечности, которая со­единяет самое малое с са­мым крупным, уравнивает их и превращает одно в другое.

Мы рассказали, как раз­вивается физический мир из вакуума, но в ходе своего развития проявленный фи­зический мир начинает про­являть и сознание, разум.

Биологическая жизнь — лишь одна из мно­жества множеств форм, в которой может проявиться разум и в которой он начинает пред­ставлять себя как личность.

Когда материя только начинает проявляться из ва­куума, она не должна иметь сознания. Она должна быть бессознательна и безлична, как сам вакуум. Если на этом этапе будет явлено сознание да плюс еще и осознание личности, то по­лучится низкочастотная тем­ная сущность, темный дух.

Подобное возникает в молодых вселенных, как ваша. Потому, что они еще имеют спиральную структуру и не переродились в другие более совершенные формы. В молодых спиральных вселенных при схлопывании в Ночь Брамы не все структуры успевают «переработаться» и при очередном «Большом взрыве» выбрасываются непереработанными особо тяжелые элементы. Это и есть «темная» материя или «антимир». Так называемый источник зла. Если применять понятия землян.

Но «зло» — это всего лишь детская болезнь вселенной. С каждой Манвантарой она изживается все больше и больше. И в конце концов исчезает.

Вообще «зло» и его проявления видны только сознаниям, проявленным в плотных мирах. Для Абсолютного сознания оно – иллюзия, такая же, как и все остальные проявления тысяч миров, осознаваемые существами, как ощущения их жизней и смертей.

Когда сознание существа начинает приближаться к Абсолютному сознанию оно начинает видеть, что все проявления миров иллюзорны. Что это лишь другое состояние Пустоты Великого Аболюта, идущего бесконечным путем совершенствования через создание и разрушение этих Иллюзий.

Приняла по контакту

Валерия Кольцова

Реакции на статью

Понравился наш сайт? Присоединяйтесь
или подпишитесь
(на почту будут приходить уведомления о новых темах) на наш канал в МирТесен!

Показы: 1
Охват: 0
Прочтений: 0

Одним из основных вопросов, которые не выходят из сознания человека, всегда был и является вопрос: «как появилась Вселенная?». Конечно же, однозначного ответа на данный вопрос нет, и вряд ли будет получен в скором времени, однако наука работает в этом направлении и формирует некую теоретическую модель зарождения нашей Вселенной. Прежде всего следует рассмотреть основные свойства Вселенной, которые должна описываться в рамках космологической модели:

• Модель должна учитывать наблюдаемые расстояния между объектами, а также скорость и направление их движения. Подобные расчеты основываются на законе Хаббла: cz =
  H 0
  D
  , где z
  – красное смещение объекта, D
  – расстояния до этого объекта, c
  – скорость света.
• Возраст Вселенной в модели должен превышать возраст самых старых в мире объектов.
• Модель должна учитывать первоначальное обилие элементов.
• Модель должна учитывать наблюдаемую .
• Модель должна учитывать наблюдаемый реликтовый фон.

Рассмотрим кратко общепризнанную теорию возникновения и ранней эволюции Вселенной, которая поддерживается большинством ученых. Сегодня под теорией Большого взрыва подразумевают комбинацию модели горячей Вселенной с Большим взрывом. И хотя данные концепции сперва существовали независимо друг от друга, в результате их объединение удалось объяснить первоначальный химический состав Вселенной, а также наличие реликтового излучения.

Согласно данной теории, Вселенная возникла около 13,77 млрд лет назад из некоторого плотного разогретого объекта — , плохо поддающееся описанию в рамках современной физики. Проблема космологической сингулярности, помимо всего прочего, в том, что при ее описании большинство физических величин, вроде плотности и температуры, стремятся к бесконечности. При этом, известно, что при бесконечной плотности (мера хаоса) должна устремляться к нулю, что никак не совмещается с бесконечной температурой.

• • Первые 10 -43 секунды после Большого Взрыва называют этапом квантового хаоса. Природа мироздания на этом этапе существования не поддается описанию в рамках известной нам физики. Происходит распад непрерывного единого пространства-времени на кванты.

• Планковский момент – момент окончания квантового хаоса, который выпадает на 10 -43 секунду. В этот момент параметры Вселенной равнялись , вроде планковской температуры (около 10 32 К). В момент планковской эпохи все четыре фундаментальные взаимодействия (слабое, сильное, электромагнитное и гравитационное) являлись объединенными в некое одно взаимодействие. Рассматривать планковский момент как некоторый продолжительный период – не представляется возможным, так как с параметрами меньше планковских современная физика не работает.
• Стадия . Следующей стадией истории Вселенной стала инфляционная стадия. В первый момент инфляции от единого суперсимметричного поля (ранее включающего поля фундаментальных взаимодействий) отделилось гравитационное взаимодействие. В этот период вещество обладает отрицательным давлением, что вызывает экспоненциальный рост кинетической энергии Вселенной. Проще говоря, в данный период Вселенная стала очень быстро раздуваться, а ближе концу энергия физических полей переходит в энергию обычных частиц. В конце данной стадии значительно повышается температура вещества и излучения. Вместе с окончанием стадии инфляции выделяется и сильное взаимодействие. Также в этот момент возникает .
• Стадия радиационного доминирования. Следующая стадия развития Вселенной, которая включает несколько этапов. На этой стадии температура Вселенной начинает понижаться, образуются кварки, затем адроны и лептоны. В эпоху нуклеосинтеза происходит образование начальных химических элементов, синтезируется гелий. Однако, излучение все еще преобладает над веществом.
• Эпоха доминирования вещества. Спустя 10 000 лет энергия вещества постепенно превосходит энергию излучения и происходит их разделения. Вещество начинает доминировать над излучением, возникает реликтовый фон. Также разделение вещества с излучением значительно усилило изначальные неоднородности в распределении вещества, в результате чего начали образовываться галактики и сверхгалактики. Законны Вселенной пришли к тому виду, в котором мы наблюдаем их сегодня.

Вышеописанная картина сложена из нескольких основополагающих теорий и дает общие представление о формировании Вселенной на ранних этапах ее существования.

Откуда появилась Вселенная?

Если Вселенная возникла из космологической сингулярности, то откуда взялась сама сингулярность? На данный вопрос дать точный ответ, пока, невозможно. Рассмотрим некоторые космологические модели, затрагивающие «рождение Вселенной».

Циклические модели

Данные модели строятся на утверждении, что Вселенная существовала всегда и со временем лишь меняется ее состояние, переходя от расширения к сжатию – и обратно.

• Модель Стейнхардта-Турока. Данная модель строится на теории струн (М-теории), так как использует такой объект как «брана». Согласно этой модели видимая Вселенная располагается внутри 3-бране, которая периодически, раз в несколько триллионов лет, сталкивается с другой 3-браной, что вызывает подобие Большого Взрыва. Далее наша 3-брана начинает отдаляться от другой и расширяться. В какой-то момент доля темной энергии получает первенство и скорость расширения 3-браны растет. Колоссальное расширение рассеивает вещество и излучение настолько, что мир становится почти однородным и пустым. В конце концов происходит повторное столкновение 3-бран, в результате чего наша возвращается к начальной фазе своего цикла, вновь зарождая нашу «Вселенную».

• Теория Лориса Баума и Пола Фрэмптона также гласит о цикличности Вселенной. Согласно их теории последняя после Большого Взрыва будет расширяться за счет темной энергии до тех пор, пока не приблизится к моменту «распада» самого пространства-времени – Большой Разрыв. Как известно, в «замкнутой системе энтропия не убывает» (второе начало термодинамики). Из этого утверждения следует, что Вселенная не может вернуться к исходному состоянию, так как во время такого процесса энтропия должна убывать. Однако эта проблема решается рамках данной теории. Согласно теории Баума и Фрэмптона за миг до Большого Разрыва Вселенная распадается на множество «лоскутов», каждый из которых обладает довольно малым значением энтропии. Испытывая ряд фазовых переходов, данные «лоскуты» бывшей Вселенной порождают материю и развиваются аналогично первоначальной Вселенной. Эти новые миры не взаимодействуют друг с другом, так как разлетаются со скоростью больше скорости света. Таким образом, ученые избежали и космологической сингулярности, с которой начинается рождение Вселенной согласно большинству космологических теорий. То есть в момент конца своего цикла Вселенная распадается на множество других невзаимодействующих миров, которые станут новыми вселенными.
• Конформная циклическая космология – циклическая модель Роджера Пенроуза и Ваагна Гурзадяна. Согласно данной модели Вселенная способна перейти в новый цикл, не нарушая второе начало термодинамики. Данная теория опирается на предположение, что черные дыры уничтожают поглощенную информацию, что неким образом «законно» понижает энтропию Вселенной. Тогда каждый такой цикл существования Вселенной начинается с подобия Большого Взрыва и заканчивается сингулярностью.

Другие модели возникновения Вселенной

Среди других гипотез, объясняющих появление видимой Вселенной наиболее популярны две следующие:

• Хаотическая теория инфляции — теория Андрея Линде. Согласно данной теории существует некоторое скалярное поле, которое неоднородно во всем своем объеме. То есть в различных областях вселенной скалярное поле имеет разное значение. Тогда в областях, где поле слабое – ничего не происходит, в то время как области с сильных полем начинают расширяться (инфляция) за счет его энергии, образуя при этом новые вселенные. Такой сценарий подразумевает существование множества миров, возникших неодновременно и имеющих свой набор элементарных частиц, а, следовательно, и законов природы.
• Теория Ли Смолина – предполагает, что Большой Взрыв не является началом существования Вселенной, а – лишь фазовым переходом между двумя ее состояниями. Так как до Большого Взрыва Вселенная существовала в форме космологической сингулярности, близкой по своей природе к сингулярности черной дыры, Смолин предполагает, что Вселенная могла возникнуть из черной дыры.

Итоги

Несмотря на то, что циклические и другие модели отвечают на ряд вопросов, ответы на которые не может дать теория Большого Взрыва, в том числе проблема космологической сингулярности. Все же в комплекте с инфляционной теорией Большой Взрыв более цельно объясняет возникновение Вселенной, а также сходится с множеством наблюдений.

Сегодня исследователи продолжают интенсивно изучать возможные сценарии зарождения Вселенной, однако, дать неопровержимый ответ на вопрос «Как появилась Вселенная?» — вряд ли удастся в ближайшем будущем. На это есть две причины: прямое доказательство космологических теорий практически невозможно, лишь косвенное; даже теоретически нет возможности получить точную информацию о мире до момента Большого Взрыва. По этим двум причинам ученым остается лишь выдвигать гипотезы и строить космологические модели, которые максимально верно будут описывать природу наблюдаемой нами Вселенной.

есть ли у Вселенной центр? / Хабр

Вселенная выглядит примерно одинаково по всем направлениям, но удалённые галактики выглядят болеем молодыми и менее эволюционировавшими, чем те, что находятся ближе

Мы знаем, что наша Вселенная началась с Большого Взрыва, но это не значит, что мы все правильно его себе представляем. Большая часть людей представляет себе его, как взрыв: когда всё началось с горячего и плотного состояния, а потом расширялось в стороны и остывало, в то время, как различные фрагменты-осколки удалялись друг от друга. Но, какой бы ни была эта картина притягательной, она неверная. Наш читатель задаёт связанный с этим вопрос?

Интересно, как получается, что у вселенной нет центра и реликтовое излучение отдалено в любую сторону на равное от нас расстояние. Мне кажется, что если вселенная расширяется, то всегда можно найти место, откуда она начала расширяться.

Давайте для начала подумаем о физике взрыва, и о том, какой бы была наша Вселенная, если бы она началась со взрыва.

Первые стадии взрыва во время ядерного испытания Тринити, 16 миллисекунд после детонации. Верхняя часть взрыва достигла 200 м.

Взрыв начинается в определённой точке и быстро расширяется во все стороны. Самые быстро движущиеся обломки двигаются наружу быстрее остальных. Чем дальше вы находитесь от центра взрыва, тем меньше материала долетит до вас. Плотность энергии со временем повсеместно уменьшается, но дальше от центра взрыва она уменьшается быстрее, поскольку на окраинах взрыва материал более рассеянный. Неважно, где вы находитесь – если взрыв вас не уничтожил, вы всегда сможете реконструировать центр взрыва.

Крупномасштабная структура Вселенной меняется со временем, небольшие несовершенства вырастают и формируют первые звёзды и галактики, затем сливаются вместе, формируя крупные, современные галактики, видимые нам сегодня. Заглядывая на дальние дистанции, мы видим более молодую Вселенную, такую, каким был наш местный регион в прошлом.

Но мы наблюдаем не такую Вселенную. Она одинаково выглядит на дальних и ближних расстояниях: та же плотность, та же энергия, то же количество галактик. Удалённые объекты, двигающиеся от нас с большей скоростью, не выглядят схожими по возрасту с теми, что расположены ближе к нам и двигаются медленнее; они выглядят моложе. На дальних расстояниях объектов не становится меньше, их становится больше. А если взглянуть на схему движения во Вселенной, мы увидим, что несмотря на то, что мы можем заглянуть на десятки миллиардов световых лет, центр неизменно оказывается рядом с нами.

Сверхскопление Ланиакея, расположение Млечного Пути в котором показано красным, представляет собой всего лишь одну миллиардную объёма наблюдаемой Вселенной. Если Вселенная началась в результате взрыва, то Млечный Путь должен был быть рядом с центром

Значит ли это что мы, из триллионов галактик Вселенной, случайно оказались в центре Большого Взрыва? И что изначальный взрыв был подстроен именно таким образом, и были учтены нерегулярные, негомогенные плотности, энергии, и загадочное свечение температурой 2,7 К? Какой мелочной была бы Вселенная, если бы она была подстроена таким нереалистичным образом с самого начала.

Взрыв в космосе заставил бы внешние слои материала двигаться вовне быстрее остальных, что означает, что они становились бы менее плотными, теряли бы энергию быстрее других и демонстрировали разные свойства по мере удаления от центра. Также взрыву нужно было бы расширяться куда-то, а не растягивать само пространство. Наша Вселенная такому описанию не соответствует.

Вместо этого, Общая теория относительности предсказывает не взрыв, а расширение. Вселенная, начавшаяся с горячего, плотного состояния, у которой расширяется сама её ткань. Существует заблуждение, что это процесс начинался с одной точки – это не так! Существовал регион космоса с такими свойствами, наполненный материей, энергией и т.п., а затем Вселенная начала свою эволюцию под влиянием законов гравитации.

У неё повсюду схожие свойства, включая плотность, температуру, количество галактик, и т.п. Если мы выглянем наружу, то найдём свидетельства эволюционирующей Вселенной. Поскольку Большой взрыв случился повсюду одновременно конечное время назад на целом участке космоса, и мы можем наблюдать только этот участок, то когда мы смотрим с нашей точки наблюдения, мы видим участок пространства, не очень сильно отличающийся с нашего местоположения в прошлом.

Заглядывать на космические дистанции – значит, заглядывать в прошлое. Мы живём спустя 13,8 млрд лет после Большого взрыва, но Большой взрыв случился и во всех других доступных для наблюдения местах. Время распространения света до других галактик означает, что мы видим эти удалённые регионы такими, какие они были в прошлом.

Галактики, свету которых потребовался миллиард лет на то, чтобы дойти до нас, выглядят такими, какими они были миллиард лед назад! 13,8 млрд лет назад во Вселенной преобладало излучение, а не материя, и когда во Вселенной впервые сформировались нейтральные атомы, это излучение осталось, а потом охладилось и испытало красное смещение из-за расширения Вселенной. То, что мы наблюдаем в качестве реликтового излучения – это не только остаточное свечение от Большого взрыва, но это излучение можно увидеть с любого места Вселенной.

Только несколько сотен микрокельвинов – несколько частей в 100000 – отделяют самые горячие участки от самых холодных на схеме реликтового излучения.

У Вселенной не обязательно есть центр; то, что мы называем «участком» пространства, в котором произошёл Большой взрыв, может быть бесконечного размера. Если центр есть, он буквально может быть везде, и мы бы об этом не узнали; части наблюдаемой нами Вселенной недостаточно для того, чтобы это узнать. Нам нужно было бы увидеть край, фундаментальную анизотропию (где разные направления отличаются друг от друга) по температурам и количеству галактик, и наша Вселенная, на крупнейших масштабах, на самом деле выглядит одинаково везде и во всех направлениях.

Логарифмическое изображение наблюдаемой Вселенной в представлении художника

Не существует места, с которого Вселенная начала расширяться из-за Большого взрыва; существует время, с которого Вселенная начала расширяться. Именно это и есть Большой Взрыв – условие, влияющее на всю наблюдаемую Вселенную в определённый момент. Поэтому смотреть на дальние расстояния во всех направлениях – значит, смотреть в прошлое. Поэтому у всех направлений примерно одинаковые свойства. И поэтому нашу историю космической эволюции можно отследить назад, так далеко, как далеко могут заглянуть наши наблюдения.

Галактики, похожие на Млечный Путь, и их прошлое

Возможно, у Вселенной конечный размер и форма, но если так – эта информация нам недоступна. Часть доступной нам для наблюдений Вселенной конечна, и та информация внутри этой части не содержится. Если вы будете представлять Вселенную в форме шарика, батона или другой понравившейся вам аналогии, помните, что у вас есть доступ только к крохотной части настоящей Вселенной. То, что мы наблюдаем – это нижний предел того, что там есть. Она может быть конечной, может быть бесконечной, мы уверены только в том, что она расширяется, у неё уменьшается плотность, и чем дальше мы смотрим, тем глубже в прошлое можем заглянуть. Как сказала астрофизик Кэти Мэк:

Вселенная расширяется так, как расширяется ваше сознание. Оно ведь не расширяется куда-то; вы просто становитесь менее тупым [dense (англ. ) – «плотный», а также «тупой» / прим. перев.]

Итан Сигель – астрофизик, популяризатор науки, автор блога Starts With A Bang! Написал книги «За пределами галактики» [Beyond The Galaxy], и «Трекнология: наука Звёздного пути» [Treknology].

Где находится центр Вселенной? То есть по теории Большого взрыва вселенная начала расширяться. А где находится точка или координаты места начала этого взрыва?

• BorSergAnt
   17.06.2011  18:09

  Ответить

  Ах! Какое красивое лукавство! «Измученные наукой» люди сумели ввести в заблуждение человечество этой сказкой о воздушном шарике. На самом деле, что они рисуют на шарике они рисуют на плоскости и, соответственно, в пространстве аналогия должна быть другой. Геометрический центр существует — область пространства, где Господь «щелкнул пальцами». Почему это не афишируют — вот вопрос! Я вижу два ответа — либо, элементарно, незнают где искать, либо запрещено. ..

  Ответить

  • a_b
    BorSergAnt 01.07.2011  13:08

    Ответить

    «На самом деле, что они рисуют на шарике они рисуют на плоскости и, соответственно, в пространстве аналогия должна быть другой.»
    Когда шарик _очень_ большой, отличить его от плоскости весьма затруднительно. Раньше люди были, например, уверены, что Земля плоская.
    «Геометрический центр существует […] не знают, где искать[…]»
    А Вы подскажите им. Если бы они знали, какого размера пальцы, это помогло бы.

    Ответить

  • ЮрX
    BorSergAnt 12.07.2011  16:21

    Ответить

    Вот что пишет Стивен Вайнберг, лауреат нобелевской по физике:
    «Вначале был взрыв. Не такой взрыв, который знаком нам на Земле и который начинается из определенного центра и затем распространяется, захватывая всё больше и больше пространства, а взрыв, который произошел одновременно везде, заполнив с самого начала «всё пространство», причем каждая частица материи устремилась прочь от любой другой частицы. В этом контексте «всё пространство» может означать либо всё пространство бесконечной Вселенной, либо всё пространство конечной Вселенной, которое замкнуто на себя, как поверхность сферы.»

    Так что ответ есть: центра не было, тем более геометрического, так как не было пространства как такового. Такой себе Безсчелчковый BigBang.

    Да и вообще эти словесные описания с помощью аналогий даны для неспециалистов и они не претендуют на точность и тем более критикоустойчивость. Поэтому чтобы понять суть полностью нужно смотреть формулы описывающие процесс, предварительно подняв уровень знаний матана до соответсвующего.

    Ответить

    • Bedal
      ЮрX 22.05.2017  14:12

      Ответить

      Такие аналогии вполне корректны и полезны, только подавать их надо не как описание, пусть даже упрощённое, реальности, а в стиле «вот видите, даже здесь центр определить невозможно, нет его. Так почему бы подобного не могло случиться и со Вселенной?».

      Кстати, шарик даёт и другие неплохие (на мой взгляд) иллюстрации:
      1. Почему сначала быстро расширялось, а потом (сейчас) много медленней?
      Потому, что, когда шарик маленький, даже близкие объекты скрыты за горизонтом, и при надувании много чего нового открывается. А, когда он уже большой, горизонт отодвигается относительно медленно, и окружающая картина почти неизменна. Получается — скорость «надувания» постоянна, а вначале был-таки БУМ.

      2. Почему сначала ничего не было, а потом ВДРУГ образовываются кварки/протоны/электроны/атомы?
      Берём тот же маленький, очень маленький, шарик. То, из чего они должны образоваться, просто не видит другое «то», за горизонтом оно. Шарик увеличился, горизонт отодвинулся — о, видно! Начинаем взаимодействовать… появились кварки. Ещё надулся — кварки «увидели» друг друга, взаимодействие — появились протоны. И так далее.

      Вот так и бабочки…

      Ответить

• donmutti
  BorSergAnt 28. 04.2018  23:29

  Ответить

  Горькавый с Васильковым убедительно ответили на вопрос о центре вселенной в 2016:
  https://don-beaver.livejournal.com/196412.html

  Ответить

Написать комментарий

Размер Вселенной

Знаете ли вы о том, что наблюдаемая нами Вселенная имеет довольно определённые границы? Мы привыкли ассоциировать Вселенную с чем-то бесконечным и непостижимым. Однако современная наука на вопрос о «бесконечности» Вселенной предлагает совсем другой ответ на столь «очевидный» вопрос.

Согласно современным представлениям, размер наблюдаемой Вселенной составляет примерно 45,7 миллиардов световых лет (или 14,6 гигапарсек). Но что означают эти цифры?

Содержание:

• 1 Граница безграничного
• 2 Расширяя границы
• 3 Множество Солнц
• 4 Множество Млечных Путей
• 5 Очевидная бесконечность
• 6 Стационарная Вселенная
• 7 На поверхности гиперсферы
• 8 Расширяющаяся Вселенная
• 9 Дальнейшее развитие космологии
• 10 Современное представление о размере наблюдаемой Вселенной
• 11 За горизонтом
• 12 Истинные границы
• 13 Материалы по теме
• 14 Наглядное представление
• 15 Масштабы Вселенной
• 16 Внутри вселенского пузыря
• 17 Материалы по теме
• 18 Уменьшая масштабы

Граница безграничного

Первый вопрос, который приходит в голову обычному человеку – как Вселенная вообще не может быть бесконечной? Казалось бы, бесспорным является то, что вместилище всего сущего вокруг нас не должно иметь границ. Если эти границы и существуют, то что они вообще собой представляют?

Допустим, какой-нибудь астронавт долетел до границ Вселенной. Что он увидит перед собой? Твёрдую стену? Огненный барьер? А что за ней – пустота? Другая Вселенная? Но разве пустота или другая Вселенная могут означать, что мы на границе мироздания? Ведь это не означает, что там находится «ничего». Пустота и другая Вселенная – это тоже «что-то». А ведь Вселенная – это то, что содержит абсолютно всё «что-то».

Мы приходим к абсолютному противоречию. Получается, граница Вселенной должна скрывать от нас что-то, чего не должно быть. Или граница Вселенной должна отгораживать «всё» от «чего-то», но ведь это «что-то» должно быть также частью «всего». В общем, полный абсурд. Тогда как учёные могут заявлять о граничном размере, массе и даже возрасте нашей Вселенной? Эти значения хоть и невообразимо велики, но всё же конечны. Наука спорит с очевидным? Чтобы разобраться с этим, давайте для начала проследим, как люди пришли к современному понимаю Вселенной.

Расширяя границы

Инфографика «Вселенная» Посмотреть в большом разрешении

Человек с незапамятных времён интересовался тем, что представляет собой окружающий их мир. Можно не приводить примеры о трёх китах и прочие попытки древних объяснить мироздание. Как правило, в конечном итоге все сводилось к тому, что основой всего сущего является земная твердь. Даже во времена античности и средневековья, когда астрономы имели обширные познания в закономерностях движения планет по «неподвижной» небесной сфере, Земля оставалась центром Вселенной.

Естественно, ещё в Древней Греции существовали те, кто считал что Земля вращается вокруг Солнца. Были те, кто говорил о множестве миров и бесконечности Вселенной. Но конструктивные обоснования этим теориям возникли только на рубеже научной революции.

В 16 веке польский астроном Николай Коперник совершил первый серьёзный прорыв в познании Вселенной. Он твёрдо доказал, что Земля является лишь одной из планет, обращающихся вокруг Солнца. Такая система значительно упрощала объяснение столь сложного и запутанного движения планет по небесной сфере. В случае неподвижной Земли астрономам приходилось выдумывать всевозможные хитроумные теории, объясняющие такое поведение планет. С другой стороны, если Землю принять подвижной, то объяснение столь замысловатым движениям приходит, само собой. Так в астрономии укрепилась новая парадигма под названием «гелиоцентризм».

Множество Солнц

Вега, снимок ESO

Однако даже после этого астрономы продолжали ограничивать Вселенную «сферой неподвижных звёзд». Вплоть до 19 века им не удавалось оценить расстояние до светил. Несколько веков астрономы безрезультатно пытались обнаружить отклонения положения звёзд относительно движения Земли по орбите (годичные параллаксы). Инструменты тех времён не позволяли проводить столь точные измерения.

Наконец, в 1837 году русско-немецкий астроном Василий Струве измерил параллакс α Лиры. Это ознаменовало новый шаг в понимании масштабов космоса. Теперь учёные могли смело говорить о том, что звезды являют собой далекие подобия Солнца. И наше светило отныне не центр всего, а равноправный «житель» бескрайнего звёздного скопления.

Астрономы ещё больше приблизились к пониманию масштабов Вселенной, ведь расстояния до звёзд оказались воистину чудовищными. Даже размеры орбит планет казались по сравнению с этим чем-то ничтожным. Дальше нужно было понять, каким образом звёзды сосредоточены во Вселенной.

Множество Млечных Путей

Млечный путь

Известный философ Иммануил Кант ещё в 1755 предвосхитил основы современного понимания крупномасштабной структуры Вселенной. Он выдвинул гипотезу о том, что Млечный Путь является огромным вращающимся звёздным скоплением. В свою очередь, многие наблюдаемые туманности также являются более удалёнными «млечными путями» — галактиками. Не смотря на это, вплоть до 20 века астрономы придерживались того, что все туманности являются источниками звёздообразования и входят в состав Млечного Пути.

Ситуация изменилась, когда астрономы научились измерять расстояния между галактиками с помощью цефеид. Абсолютная светимость звёзд такого типа лежит в строгой зависимости от периода их переменности. Сравнивая их абсолютную светимость с видимой, можно с высокой точностью определить расстояние до них. Этот метод был разработан в начале 20 века Эйнаром Герцшрунгом и Харлоу Шелпи. Благодаря ему советский астроном Эрнст Эпик в 1922 году определил расстояние до Андромеды, которое оказалось на порядок больше размера Млечного Пути.

Эдвин Хаббл продолжил начинание Эпика. Измеряя яркости цефеид в других галактиках, он измерил расстояние до них и сопоставил его с красным смещением в их спектрах. Так в 1929 году он разработал свой знаменитый закон. Его работа окончательно опровергла укрепившееся мнение о том, что Млечный Путь является краем Вселенной. Теперь он был одной из множества галактик, которые ещё когда-то считали его составной частью. Гипотеза Канта подтвердилась почти через два столетия после её разработки.

В дальнейшем, открытая Хабблом связь расстояния галактики от наблюдателя относительно скорости её удаления от него, позволила составить полноценную картину крупномасштабной структуры Вселенной. Оказалось, галактики были лишь её ничтожной частью. Они связывались в скопления, скопления в сверхскопления. В свою очередь, сверхскопления складываются в самые большие из известных структур во Вселенной – нити и стены. Эти структуры, соседствуя с огромными сверхпустотами (войдами) и составляют крупномасштабную структуру, известной на данный момент, Вселенной.

Очевидная бесконечность

Из вышесказанного следует то, что всего за несколько веков наука поэтапно перепорхнула от геоцентризма к современному пониманию Вселенной. Однако это не даёт ответа, почему мы ограничиваем Вселенную в наши дни. Ведь до сих пор речь шла лишь о масштабах космоса, а не о самой его природе.

Эволюция Вселенной

Первым, кто решился обосновать бесконечность Вселенной, был Исаак Ньютон. Открыв закон всемирного тяготения, он полагал, что будь пространство конечно, все её тела рано или поздно сольются в единое целое. До него мысль о бесконечности Вселенной если кто-то и высказывал, то исключительно в философском ключе. Без всяких на то научных обоснований. Примером тому является Джордано Бруно. К слову, он подобно Канту, на много столетий опередил науку. Он первым заявил о том, что звёзды являются далёкими солнцами, и вокруг них тоже вращаются планеты.

Казалось бы, сам факт бесконечности довольно обоснован и очевиден, но переломные тенденции науки 20 века пошатнули эту «истину».

Стационарная Вселенная

Первый существенный шаг на пути к разработке современной модели Вселенной совершил Альберт Эйнштейн. Свою модель стационарной Вселенной знаменитый физик ввёл в 1917 году. Эта модель была основана на общей теории относительности, разработанной им же годом ранее. Согласно его модели, Вселенная является бесконечной во времени и конечной в пространстве. Но ведь, как отмечалось ранее, согласно Ньютону, Вселенная с конечным размером должна сколлапсироваться. Для этого Эйнштейн ввёл космологическую постоянную, которая компенсировала гравитационное притяжение далёких объектов.

Как бы это парадоксально не звучало, саму конечность Вселенной Эйнштейн ничем не ограничивал. По его мнению, Вселенная представляет собой замкнутую оболочку гиперсферы. Аналогией служит поверхность обычной трёхмерной сферы, к примеру – глобуса или Земли. Сколько бы путешественник ни путешествовал по Земле, он никогда не достигнет её края. Однако это вовсе не означает, что Земля бесконечна. Путешественник просто-напросто будет возвращаться к тому месту, откуда начал свой путь.

На поверхности гиперсферы

Точно также космический странник, преодолевая Вселенную Эйнштейна на звездолёте, может вернуться обратно на Землю. Только на этот раз странник будет двигаться не по двумерной поверхности сферы, а по трёхмерной поверхности гиперсферы. Это означает, что Вселенная имеет конечный объём, а значит и конечное число звёзд и массу. Однако ни границ, ни какого-либо центра у Вселенной не существует.

Будущее Вселенной

К таким выводам Эйнштейн пришёл, связав в своей знаменитой теории пространство, время и гравитацию. До него эти понятия считались обособленными, отчего и пространство Вселенной было сугубо евклидовым. Эйнштейн доказал, что само тяготение является искривлением пространства-времени. Это в корне меняло ранние представления о природе Вселенной, основанной на классической ньютоновской механике и евклидовой геометрии.

Расширяющаяся Вселенная

Даже сам первооткрыватель «новой Вселенной» не был чужд заблуждений. Эйнштейн хоть и ограничил Вселенную в пространстве, он продолжал считать её статичной. Согласно его модели, Вселенная была и остаётся вечной, и её размер всегда остаётся неизменным. В 1922 году советский физик Александр Фридман существенно дополнил эту модель. Согласно его расчётам, Вселенная вовсе не статична. Она может расширяться или сжиматься со временем. Примечательно то, что Фридман пришёл к такой модели, основываясь на всё той же теории относительности. Он сумел более корректно применить эту теорию, минуя космологическую постоянную.

Альберт Эйнштейн не сразу принял такую «поправку». На помощь этой новой модели пришло, упомянутое ранее открытие Хаббла. Разбегание галактик бесспорно доказывало факт расширения Вселенной. Так Эйнштейну пришлось признать свою ошибку. Теперь Вселенная имела определённый возраст, зависимый от постоянной Хаббла, характеризующий скорость её расширения.

Дальнейшее развитие космологии

По мере того, как учёные пытались решить этот вопрос, были открыты многие другие важнейшие составляющие Вселенной и разработаны различные её модели. Так в 1948 году Георгий Гамов ввёл гипотезу «о горячей Вселенной», которая в последствие превратится в теорию Большого взрыва. Открытие в 1965 году реликтового излучения подтвердило его догадки. Теперь астрономы могли наблюдать свет, дошедший с того момента, когда Вселенная стала прозрачна.

Тёмная материя, предсказанная в 1932 году Фрицом Цвикки, получила своё подтверждение в 1975 году. Тёмная материя фактически объясняет само существование галактик, галактических скоплений и самой Вселенской структуры в целом. Так учёные узнали, что большая часть массы Вселенной и вовсе невидима.

Из чего состоит Вселенная

Наконец, в 1998 году в ходе исследования расстояния до сверхновых типа Ia было открыто, что Вселенная расширяется с ускорением. Этот очередной поворотный момент в науке породил современное понимание о природе Вселенной. Введённый Эйнштейном и опровергнутый Фридманом космологический коэффициент снова нашёл своё место в модели Вселенной. Наличие космологического коэффициента (космологической постоянной) объясняет её ускоренное расширение. Для объяснения наличия космологической постоянной было введено понятия тёмной энергии – гипотетическое поле, содержащее большую часть массы Вселенной.

Современное представление о размере наблюдаемой Вселенной

Современная модель Вселенной также называется ΛCDM-моделью. Буква «Λ» означает присутствие космологической постоянной, объясняющей ускоренное расширение Вселенной. «CDM» означает то, что Вселенная заполнена холодной тёмной материей. Последние исследования говорят о том, что постоянная Хаббла составляет около 71 (км/с)/Мпк, что соответствует возрасту Вселенной 13,75 млрд. лет. Зная возраст Вселенной, можно оценить размер её наблюдаемой области.

Эволюция Вселенной

Согласно теории относительности информация о каком-либо объекте не может достигнуть наблюдателя со скоростью большей, чем скорость света (299792458 м/c). Получается, наблюдатель видит не просто объект, а его прошлое. Чем дальше находится от него объект, тем в более далёкое прошлое он смотрит. К примеру, глядя на Луну, мы видим такой, какой она была чуть более секунды назад, Солнце – более восьми минут назад, ближайшие звёзды – годы, галактики – миллионы лет назад и т.д. В стационарной модели Эйнштейна Вселенная не имеет ограничения по возрасту, а значит и её наблюдаемая область также ничем не ограничена. Наблюдатель, вооружаясь всё более совершенными астрономическими приборами, будет наблюдать всё более далёкие и древние объекты.

Другую картину мы имеем с современной моделью Вселенной. Согласно ей Вселенная имеет возраст, а значит и предел наблюдения. То есть, с момента рождения Вселенной никакой фотон не успел бы пройти расстояние большее, чем 13,75 млрд световых лет. Получается, можно заявить о том, что наблюдаемая Вселенная ограничена от наблюдателя шарообразной областью радиусом 13,75 млрд. световых лет. Однако, это не совсем так. Не стоит забывать и о расширении пространства Вселенной. Пока фотон достигнет наблюдателя, объект, который его испустил, будет от нас уже в 45,7 миллиардах св. лет. Этот размер является горизонтом частиц, он и является границей наблюдаемой Вселенной.

За горизонтом

Итак, размер наблюдаемой Вселенной делится на два типа. Видимый размер, называемый также радиусом Хаббла (13,75 млрд. световых лет). И реальный размер, называемый горизонтом частиц (45,7 млрд. св. лет). Принципиально то, что оба эти горизонта совсем не характеризуют реальный размер Вселенной. Во-первых, они зависят от положения наблюдателя в пространстве. Во-вторых, они изменяются со временем. В случае ΛCDM-модели горизонт частиц расширяется со скоростью большей, чем горизонт Хаббла. Вопрос о том, сменится ли такая тенденция в дальнейшем, современная наука ответа не даёт. Но если предположить, что Вселенная продолжит расширяться с ускорением, то все те объекты, которые мы видим сейчас рано или поздно исчезнут из нашего «поля зрения».

На данный момент самым далёким светом, наблюдаемым астрономами, является реликтовое излучение. Вглядываясь в него, учёные видят Вселенную такой, какой она была через 380 тысяч лет после Большого Взрыва. В этот момент Вселенная остыла настолько, что смогла испускать свободные фотоны, которые и улавливают в наши дни с помощью радиотелескопов. В те времена во Вселенной не было ни звёзд, ни галактик, а лишь сплошное облако из водорода, гелия и ничтожного количества других элементов. Из неоднородностей, наблюдаемых в этом облаке, в последствие сформируются галактические скопления. Получается, именно те объекты, которые сформируются из неоднородностей реликтового излучения, расположены ближе всего к горизонту частиц.

Истинные границы

Материалы по теме

Имеет ли Вселенная истинные, не наблюдаемые границы, до сих пор остаётся предметом псевдонаучных догадок. Так или иначе, все сходятся на бесконечности Вселенной, но интерпретируют эту бесконечность совсем по-разному. Одни считают Вселенную многомерной, где наша «местная» трёхмерная Вселенная является лишь одним из её слоёв. Другие говорят, что Вселенная фрактальна – а это означает, что наша местная Вселенная может оказаться частицей другой. Не стоит забывать и о различных моделях Мультивселенной с её закрытыми, открытыми, параллельными Вселенными, червоточинами. И ещё много-много различных версий, число которых ограничено лишь человеческой фантазией.

Но если включить холодный реализм или просто отстраниться от всех этих гипотез, то можно предположить, что наша Вселенная является бесконечным однородным вместилищем всех звёзд и галактик. Причем, в любой очень далёкой точке, будь она в миллиардах гигапарсек от нас, всё условия будут точно такими же. В этой точке будут точно такими же горизонт частиц и сфера Хаббла с таким же реликтовым излучением у их кромки. Вокруг будут такие же звёзды и галактики. Что интересно, это не противоречит расширению Вселенной. Ведь расширяется не просто Вселенная, а само её пространство. То, что в момент большого взрыва Вселенная возникла из одной точки говорит только о том, что бесконечно мелкие (практически нулевые) размеры, что были тогда, сейчас превратились в невообразимо большие. В дальнейшем будем пользоваться именно этой гипотезой для того, чтобы осознать масштабы наблюдаемой Вселенной.

Наглядное представление

В различных источниках приводятся всевозможные наглядные модели, позволяющие людям осознать масштабы Вселенной. Однако нам мало осознать, насколько велик космос. Важно представлять, каким образом проявляются такие понятия, как горизонт Хаббла и горизонт частиц на самом деле. Для этого давайте поэтапно вообразим свою модель.

Забудем о том, что современная наука не знает о «заграничной» области Вселенной. Отбросив версии о мультивселенных, фрактальной Вселенной и прочих её «разновидностях», представим, что она просто бесконечна. Как отмечалось ранее, это не противоречит расширению её пространства. Разумеется, учтём то, что сфера Хаббла и сфера частиц соответственно равны 13,75 и 45,7 млрд световых лет.

Масштабы Вселенной

Нажмите кнопку СТАРТ и откройте для себя новый, неизведанный мир!
Для начала попробуем осознать, насколько велики Вселенские масштабы. Если вы путешествовали по нашей планете, то вполне можете представить, насколько для нас велика Земля. Теперь представим нашу планету как гречневую крупицу, которая движется по орбите вокруг арбуза-Солнца размером с половину футбольного поля. В таком случае орбита Нептуна будет соответствовать размеру небольшого города, область облака Оорта – Луне, область границы воздействия Солнца – Марсу. Получается, наша Солнечная Система настолько же больше Земли, насколько Марс больше гречневой крупы! Но это только начало.

Теперь представим, что этой гречневой крупой будет наша система, размер которой примерно равен одному парсеку. Тогда Млечный Путь будет размером с два футбольных стадиона. Однако и этого нам будет не достаточно. Придётся и Млечный Путь уменьшить до сантиметрового размера. Он чем-то будет напоминать завёрнутую в водовороте кофейную пенку посреди кофейно-чёрного межгалактического пространства. В двадцати сантиметрах от него расположится такая же спиральная «кроха» — Туманность Андромеды. Вокруг них будет рой малых галактик нашего Местного Скопления. Видимый же размер нашей Вселенной будет составлять 9,2 километра. Мы подошли к понимаю Вселенских размеров.

Внутри вселенского пузыря

Однако нам мало понять сам масштаб. Важно осознать Вселенную в динамике. Представим себя гигантами, для которых Млечный Путь имеет сантиметровый диаметр. Как отмечалось только что, мы окажемся внутри шара радиусом 4,57 и диаметром 9,24 километров. Представим, что мы способны парить внутри этого шара, путешествовать, преодолевая за секунду целые мегапарсеки. Что мы увидим в том случае, если наша Вселенная будет бесконечна?

Материалы по теме

Разумеется, пред нами предстанет бесчисленное множество всевозможных галактик. Эллиптические, спиральные, иррегулярные. Некоторые области будут кишить ими, другие – пустовать. Главная особенность будет в том, что визуально все они будут неподвижны, пока неподвижными будем мы. Но стоит нам сделать шаг, как и сами галактики придут в движение. К примеру, если мы будем способны разглядеть в сантиметровом Млечном Пути микроскопическую Солнечную Систему, то сможем пронаблюдать её развитие. Отдалившись от нашей галактики на 600 метров, мы увидим протозвезду Солнце и протопланетный диск в момент формирования. Приближаясь к ней, мы увидим, как появляется Земля, зарождается жизнь и появляется человек. Точно также мы будем видеть, как видоизменяются и перемещаются галактики по мере того, как мы будем удаляться или приближаться к ним.

Следовательно, чем в более далёкие галактики мы будем вглядываться, тем более древними они будут для нас. Так самые далёкие галактики будут расположены от нас дальше 1300 метров, а на рубеже 1380 метров мы будем видеть уже реликтовое излучение. Правда, это расстояние для нас будет мнимым. Однако, по мере того, как будем приближаться к реликтовому излучению, мы будем видеть интересную картину. Естественно, мы будем наблюдать то, как из первоначального облака водорода будут образовываться и развиваться галактики. Когда же мы достигнем одну из этих образовавшихся галактик, то поймем, что преодолели вовсе не 1,375 километров, а все 4,57.

Уменьшая масштабы

В качестве итога мы ещё больше увеличимся в размерах. Теперь мы можем разместить в кулаке целые войды и стены. Так мы окажемся в довольно небольшом пузыре, из которого невозможно выбраться. Мало того, что расстояние до объектов на краю пузыря будет увеличиваться по мере их приближения, так ещё и сам край будет бесконечно смещаться. В этом и заключается вся суть размера наблюдаемой Вселенной.

Какой бы Вселенная не была большой, для наблюдателя она всегда останется ограниченным пузырём. Наблюдатель всегда будет в центре этого пузыря, фактически он и есть его центр. Пытаясь добраться до какого-либо объекта на краю пузыря, наблюдатель будет смещать его центр. По мере приближения к объекту, этот объект всё дальше будет отходить от края пузыря и в тоже время видоизменяться. К примеру – от бесформенного водородного облачка он превратится в полноценную галактику или дальше галактическое скопление. Ко всему прочему, путь до этого объекта будет увеличиваться по мере приближения к нему, так как будет меняться само окружающее пространство. Добравшись до этого объекта, мы лишь сместим его с края пузыря в центр. На краю Вселенной всё также будет мерцать реликтовое излучение.

Если предположить, что Вселенная и дальше будет расширяться ускоренно, то находясь в центре пузыря и мотая время на миллиарды, триллионы и даже более высокие порядки лет вперёд, мы заметим ещё более интересную картину. Хотя наш пузырь будет также увеличиваться в размерах, его видоизменяющиеся составляющие будут отдаляться от нас ещё быстрее, покидая край этого пузыря, пока каждая частица Вселенной не будет разрозненно блуждать в своём одиноком пузыре без возможности взаимодействовать с другими частицами.

Понравилась запись? Расскажи о ней друзьям!

Просмотров записи: 74962

Запись опубликована: 14.09.2015
Автор: Максим Заболоцкий

«Нам удается стать свидетелями настоящих космических драм» – Огонек № 46 (5641) от 23.11.2020

Российские ученые создали самую подробную карту Вселенной. Как выглядит наша Галактика изнутри, легко ли запутаться в космической паутине и что мы сможем разглядеть через гравитационные линзы? Об этом «Огонек» расспрашивал одного из самых авторитетных ученых мира — астрофизика Рашида Сюняева.

Академик Рашид Сюняев

Фото: РИА Новости

Академик Рашид Сюняев

Фото: РИА Новости

Беседовала Елена Кудрявцева

Более двух с половиной тонн научного оборудования, миллионный бюджет, десятки лет напряженной работы и возрожденный престиж российской науки. Примерно так кратко можно описать космический аппарат «Спектр-РГ», который в эту самую минуту находится далеко в космосе. Аппарат стартовал летом 2019 года с Байконура, унося на себе два телескопа — один из них российский, другой немецкий. Оба телескопа в разных режимах сканируют рентгеновское излучение, исходящее от источников в недрах Вселенной, далеко за пределами нашей Галактики.

Почему именно рентгеновское? Вообще, рентгеновская астрономия, как ни странно, появилась во многом благодаря ядерному противостоянию. В 1940-е годы американцы придумали модифицированный счетчик Гейгера, чтобы ловить в воздухе частицы высоких энергий — «эхо» атомных взрывов в атмосфере. Он, кстати, уловил такое «эхо» от первой атомной бомбы, испытанной в СССР в 1949-м. Позже ученые попробовали отправить прибор в космос и обнаружили, что наше Солнце тоже испускает рентгеновское излучение. И не только оно. Оказалось, что Вселенная наполнена неизвестными объектами, которые можно засечь только в рентгеновском спектре. Но что они собой представляют, долгое время оставалось загадкой. Было ясно: такие частицы испускают источники, нагретые до гигантских температур, вплоть до нескольких миллионов градусов. Сегодня понятно, что речь идет о самых крупных объектах нашей Вселенной — скоплениях галактик, мощных черных дырах, вспышках сверхновых и так далее.

Через четыре года, собрав всю полученную «Спектром-РГ» информацию, российские ученые создадут окончательный вариант самой точной трехмерной карты Вселенной, куда будут нанесены крупные внегалактические объекты, подобные материкам на гигантской географической карте.

Помимо этого, «Спектр-РГ» будет решать огромное количество других научных задач, важнейшая из которых связана с главной загадкой современной науки: распределением невидимой темной материи и действием темной энергии — некой силы, управляющей временем и пространством. Это настолько продвинет нас в понимании устройства Вселенной, что некоторые эксперты называют происходящее третьей астрономической революцией, имея в виду, что первая произошла с появлением оптических приборов, а вторая — с выходом человечества в ближний космос. А узнать, не завышены ли ожидания, можно только у одного человека, который больше других знает и о проекте, и о Вселенной.

— Рашид Алиевич, вы всю жизнь изучали Вселенную, именно этому посвящена работа уникальной российско-немецкой обсерватории «Спектр-РГ» (СРГ), которая скоро завершит второй обзор всего неба. Что мы узнали такого, чего не знали раньше?

— Новые результаты будут опубликованы в «Nature» в декабре, пока я могу сказать, что они связаны с активностью гигантской черной дыры в центре нашей Галактики. Сегодня эта черная дыра и падающее на нее вещество (имеется в виду вещество, которое дыра затягивает внутрь.— «О») наблюдаются как источник слабого переменного рентгеновского излучения. Но миллионы лет назад в центре Галактики произошла ярчайшая вспышка, которая привела к выбросу громадного количества газа на расстояния в десятки тысяч световых лет от этой черной дыры и зоны активнейшего звездообразования вокруг нее. В это время светимость центра Галактики превышала современную в сотни миллионов, а возможно, и в миллиарды раз. Наш телескоп изучает свойства выброшенного газа, видит мощные ударные волны, нагревающие газ до температур в миллионы градусов.

— Когда вы говорите, что благодаря орбитальной обсерватории СРГ впервые создается столь подробная карта Вселенной, что имеется в виду? И как эта карта создается?

— Для начала скажу, что речь идет о двух совершенно уникальных рентгеновских телескопах с оптикой косого падения: АРТ-ХС и еРозита. Они установлены на борту орбитальной астрофизической обсерватории «Спектр-РГ». АРТ-ХС сделан в России, а еРозита — в Германии. Роскосмос впервые в отечественной истории запустил аппарат в точку Лагранжа (L2) — в 1,5 млн километров от Земли, где Солнце, Земля и Луна всегда находятся с одной стороны от нашей обсерватории. Каждые полгода наш спутник делает оборот вокруг L2 и при этом получает полную карту неба. Всего за 4 года работы будет сделано восемь таких карт, которые дополнят и уточнят друг друга.

В итоге мы надеемся составить карту, на которой будут указаны 3 млн сверхмассивных черных дыр и все 100 тысяч массивных скоплений галактик в наблюдаемой Вселенной.

Уже сейчас мы открыли порядка миллиона рентгеновских источников. Это больше, чем видели все рентгеновские телескопы за всю историю астрономии! И три четверти из них — это сверхмассивные (миллионы и миллиарды солнечных масс) черные дыры в квазарах и ядрах активных галактик. Сейчас завершается второе сканирование неба, и мы получим возможность вести поиск очень интересных явлений, например, приливных разрушений звезд сверхмассивными черными дырами.

— Что это такое?

— Иногда нам удается стать свидетелями настоящих космических драм. Мы обнаружили десятки объектов, которые за полгода стали ярче в десять раз. Это значит, что они хорошо «покормились» — может быть, мимо пролетела звезда, которая подошла к черной дыре слишком близко и была разорвана приливными силами. При этом часть вещества уходит в бесконечность, а часть оказывается захваченной черной дырой, поэтому светимость аккреционного диска вокруг нее резко возрастает (аккреционный диск — вещество, стягивающееся в черную дыру и разогревающееся до огромных температур. — «О»). Для того чтобы черная дыра на расстоянии в миллиард световых лет «светила» с такой силой, она должна каждые 10 минут поглощать массу порядка массы Земли.

— Какие необычные объекты и зоны во Вселенной наиболее интересны ученым?

— На самом деле их очень много. Например, так называемая дыра Локмана. С самим Джеем Локманом я знаком, он был совсем молодым, когда открыл область неба с минимальным количеством нейтрального водорода на луче зрения. Именно поэтому она прозрачна для наблюдения мягкого рентгеновского излучения внегалактических объектов. Уже сейчас мы обнаружили там около 9 тысяч рентгеновских источников, большинство из которых находятся далеко за пределами Галактики, они как бы просвечивают сквозь нее.

Но главное для нас сейчас — это использование гигантского количества открываемых рентгеновских источников в интересах космологии — науки о Вселенной. Мы мечтаем получить новые данные о заполняющих Вселенную темной энергии и темном веществе, физическая природа которых пока не известна. Так, например, на первой рентгеновской карте всего неба телескопа еРозита мы видим около 20 тысяч скоплений галактик, около 80 процентов массы каждого из которых составляет темное вещество. Громадный набор данных СРГ позволяет исследовать, как меняется плотность этих самых массивных многочисленных объектов во Вселенной. Мы узнаем, когда они появились, как со временем росло их количество, как они сливались друг с другом. Горячий газ, излучение которого мы наблюдаем, позволяет следить, как меняется гравитационный потенциал скоплений, определяемый невидимым темным веществом, масса которого растет со временем.

— Почему это важно?

— Громадный гравитационный потенциал приводит к тому, что многие скопления становятся сильными гравитационными линзами (такие линзы меняют направление электромагнитного излучения, как обычная линза — светового луча, то есть через них словно через увеличительное стекло можно детально исследовать самые далекие галактики во Вселенной.— «О»). Сначала изображения объектов усиливаются такой гравлинзой, а затем лучшими в мире оптическими телескопами. Мы рассчитываем, что среди открываемых нами скоплений галактик будут найдены многие тысячи сильных гравлинз.

Назад в будущее

— Работа по проекту СРГ велась более 15 лет и потребовала больших усилий российской промышленности. Можно ли говорить о возрождении наукоемкой промышленности в России?

— АРТ-XC — первый российский рентгеновский телескоп с оптикой косого падения международного класса. Его создание стало возможным благодаря работе большого количества людей. Лидер этого коллектива — Михаил Павлинский, который ушел из жизни в июле этого года в возрасте 60 лет и чьим именем телескоп назван сейчас. Детекторы АРТ-XC были полностью разработаны и изготовлены в Институте космических исследований (ИКИ) РАН, а конструкция телескопа изготовлена в знаменитом Федеральном ядерном центре в Сарове. За создание позиционно чувствительных детекторов и их электроники отвечали молодые выпускники МИФИ во главе с Василием Левиным.

— Но рентгеновские зеркала вы взяли американские?

— У нас есть отечественные рентгеновские зеркала с оптикой косого падения, и наша страна может делать полностью свои рентгеновские телескопы. Но тесты показали, что зеркала Космического центра НАСА им. Маршалла показывают несколько лучшие результаты.

Надо признать, что в области космической астрофизики и исследования Солнечной системы (во многом благодаря поддержке РАН и Роскосмоса) еще со времен СССР идет плодотворное сотрудничество со многими странами Европы и США. По нашему проекту мы широко сотрудничаем с учеными Германии, и это полезно для обеих сторон. У меня впечатление, что никто и нигде не будет всерьез останавливать научное сотрудничество в чисто научном космосе. В значительной мере это вопрос конкурентоспособности: смогут ли наши ученые предлагать интересные задачи для сотрудничества, а нашe правительство и промышленность — хорошие условия для него. Ни одна страна в мире не может осилить сразу все работы по всем интересующим ученых направлениям.

Возвращаясь к нашей промышленности, добавлю, что большая группа специалистов в НПО им. Лавочкина курирует работу СРГ ежедневно. Именно они создали замечательную платформу «Навигатор», на которой установлены наши рентгеновские телескопы. Эта платформа уже была испытана в космосе, на ней летали «Радиоастрон» и приборы двух метеорологических спутников. Надеюсь, что «Навигатор» будет успешно использоваться и в дальнейшем.

— А кто принимает сигнал на земле?

— Здесь громадную роль играют центры дальней космической связи России. Ежедневно по 5 часов в день сеансы связи с СРГ проводят поочередно 64-метровая антенна в Медвежьих Озерах под Москвой и 70-метровая антенна в Уссурийске недалеко от границы с Китаем и Северной Кореей. Они принимают данные и пересылают их по каналам связи в ИКИ для дальнейшей передачи ученым России и Германии. С помощью антенн в этих центрах, а также благодаря работе Байконура ученые проверяют работу всех систем обсерватории и посылают команды и задания на следующие сутки работы.

— Вы присутствовали при запуске аппарата?

— Когда вспыхнуло пламя и ракета «Протон» с нашей обсерваторией начала медленно подниматься, это было волнующее зрелище. Я ездил на Байконур и за две недели до запуска. Ракету уже установили на стартовом комплексе, вдруг выяснилось, что у нее есть небольшая, но достаточно серьезная проблема. Как бы дорого это ни было, ракету сняли, отвезли назад в цех и работали над ней в срочном порядке две недели. В итоге запуск прошел чудесно. После ко мне подошел один из ведущих конструкторов завода им. Хруничева (завод — создатель «Протона-М».— «О») и сказал: «Поздравляю! Если б вы знали, сколько людей не спали эти две недели, чтобы все прошло хорошо». Плохо спал в те дни и я, а когда давал комментарии в ходе запуска, осознал, что никогда не видел себя на экране таким бледным.

— В общем, это неудивительно, учитывая, сколько времени вы боролись за этот проект.

— Да, отсчет можно вести с 1987 года. Тогда в Москве в честь 30-й годовщины запуска первого спутника ЦK КПСС разрешил провести совещание с участием всех основных космических агентств и ведущих ученых мира в области космических исследований. Проект, который мы предложили, был поддержан 26 выдающимися физиками нашей страны, включая таких гигантов науки, как мой учитель академик Зельдович, академик Сахаров и директор ИКИ, в то время академик Сагдеев.

Заглянуть за край

— То, что вы видите на карте, соответствует предсказаниям, которые были у астрофизиков до сих пор?

— С некоторой точностью, и этим уточнением мы занимаемся.

— Что вы делаете с гигантским объемом полученной информации?

— Понятно, что один человек не может вручную перебрать миллион источников, которые мы уже видим на карте неба, полученной телескопом СРГ/еРозита. Для этого нужны квалифицированные, инициативные и способные люди, нужно большое количество хороших компьютеров, которых у нас не хватает. Но так быть не должно: СРГ дает интереснейшие данные, и их анализ должен производиться учеными нашей страны, молодежь должна иметь возможность делать открытия мирового класса. Более того, стоимость этих компьютеров ничтожна по сравнению со стоимостью всего проекта. К тому же у нас не хватает архивов для того колоссального количества данных, которые приходят каждый день. Мы очень рассчитываем, что Министерство науки и образования поможет в этом вопросе. Именно из-за недостатка компьютеров и современных оптических телескопов в стране мы сейчас концентрируемся на поиске самых далеких объектов во Вселенной среди миллиона уже открытых нами, вместо того чтобы расширять область исследования.

Обработкой данных помимо уже известных специалистов в данной области занимается много молодежи, что принципиально важно. Например, молодые выпускники МФТИ, МГУ, МИФИ и других вузов. Отмечу группу аспирантов и студентов факультета вычислительной математики и кибернетики МГУ, работающих под руководством Александра Мещерякова. С помощью программы машинного обучения и нейронной сети «СРГz» они «перелопачивают» на компьютерах все обнаруженные СРГ объекты, ищут самые интересные, самые далекие из них, а затем передают информацию астрономам, работающим на четырех отечественных оптических телескопах, для более подробного изучения.

Буквально на днях мне сообщили из Казанского федерального университета, что один из рентгеновских источников, отобранных по программам «СРГz», оказался гигантской черной дырой массой более 100 млн солнечных масс. Этот квазар светил, когда еще не существовало Земли, когда Вселенная была раз в 10 моложе, чем сейчас, и испущенные им рентгеновские и оптические фотоны «летели» к нам 12 млрд лет. Естественно, возникает вопрос: как эта черная дыра успела нарастить столь громадную массу менее чем за миллиард лет?

— Поражает, что такие открытия можно делать на «всего лишь» 1,5-метровом телескопе КФУ.

— Да, при этом в США есть два 10-метровых телескопа, в Европе — четыре 8-метровых, в Японии — такой же на Гавайях. Южная европейская обсерватория (ЮЕО) строит в Чили оптический телескоп с зеркалом диаметром 39 метров… А у нас из крупной техники есть лишь единственный 6-метровый, введенный в строй еще в 60-е годы.

А ведь 8 лет назад ЮЕО приглашала Россию присоединиться к этому международному проекту, но что-то пошло не так…

Космическая паутина

Такой картинки прежде никто не видел, она была просто невозможна. А теперь вот она, перед нами, называется «Первый обзор всего неба»

Фото: © Гильфанов, Сюняев, Чуразов (ИКИ), Бруннер, Мерлони, Сандерс (МПЕ)

Такой картинки прежде никто не видел, она была просто невозможна. А теперь вот она, перед нами, называется «Первый обзор всего неба»

Фото: © Гильфанов, Сюняев, Чуразов (ИКИ), Бруннер, Мерлони, Сандерс (МПЕ)

— Можно ли, глядя на новую рентгеновскую карту неба, наглядно описать, как выглядит наша Вселенная?

— Да, скорее всего еще через три года в результате восьми обзоров всего неба в рентгеновских лучах мы получим достаточное количество скоплений галактик (речь идет о 100 тысячах) и будем пытаться построить трехмерную картину их распределения во Вселенной. Численное моделирование предсказывает, что в узлах космической паутины (по одной из теорий во Вселенной есть некие плотные структуры из газа и пыли, похожие на нити паутины.— «О») находятся именно скопления галактик. Надеемся это увидеть на тонких срезах полученной трехмерной картины. Более того, мы планируем и поиск следов «барионных акустических осцилляций» (колебания плотности обычной материи, вызванные звуковыми волнами в ранней Вселенной.— «О») в трехмерном распределении не только скоплений галактик, но и гораздо более многочисленных квазаров. И потом, если есть наша Вселенная, почему не быть где-то другой? Почему наша должна быть одна?

Впрочем, я всю жизнь работаю на грани теории и эксперимента и думаю в первую очередь о том, что реально можно увидеть и в некотором смысле «пощупать». Так, например, мне было очень интересно работать над статьей с профессором МГУ (тогда еще совсем молодым ученым) Николаем Ивановичем Шакурой про аккрецию на черные дыры (самая цитируемая статья в мировой теоретической астрофизике.— «О») не только потому, что речь идет об удивительных объектах — черных дырах. Нас поражало, что аккреционный диск из вещества делал ее не только «видимым», но и ярким объектом в рентгеновских и даже оптических лучах, позволял оценить ее массу и ряд других физических параметров. Это открывало возможность искать черные дыры и в нашей Галактике, и во всей Вселенной. А сегодня, 47 лет спустя после этой публикации, СРГ за два скана неба уже нанес на карту неба более миллиона только сверхмассивных черных дыр.

Сейчас благодаря работе наших рентгеновских телескопов получены картины удивительной красоты. Например, мы детально исследовали богатейшее скопление галактик в созвездии Волосы Вероники. Его масса составляет 10 в 15-й степени масс Солнца. Как и все скопления, оно на 80 процентов состоит из темного вещества, а галактики в нем (несколько тысяч) обеспечивают всего 4 процента массы, остальное — горячий межгалактический газ с температурой 70–90 млн градусов и с плотностью всего в один протон и электрон на каждые 100 кубических сантиметров.

На полученном изображении мы видим удивительные по масштабности события: это скопление галактик готовится поглотить своего ближайшего соседа (скопление меньшей массы), в газе возникают ударные волны, происходит ускорение космических лучей и многое другое.

— Как с помощью рентгеновского телескопа вы изучаете распределения темного вещества?

— Благодаря численному моделированию на суперкомпьютерах мы знаем, что темное вещество из пространства между скоплениями галактик широкими рукавами втекает в сами скопления. Вместе с частицами невидимого для нас темного вещества туда же втекает и газ. А этот газ мы надеемся увидеть по его рентгеновскому излучению. Более того, мы стараемся оценить, сколько именно вещества втекает, какое давление газа создается при этом, как в нем возникают ударные волны. Горячий газ, как и галактики, для нас являются как бы пробными частицами, позволяющими почувствовать гравитационное воздействие на них громадного числа невидимых частиц темного вещества. Периферия скоплений галактик представляет для нас особый интерес. Важно найти филаменты (гипотетические плотные узкие нити космического вещества.— «О»), вдоль которых в скопление втекают темное вещество и газ, и измерить их параметры.

— Эти рукава темной материи подтверждают гипотезу, что наша Вселенная по структуре похожа на гигантскую трехмерную паутину?

— В целом да, ее узлы представляют собой скопления темной материи, проявляющие себя в виде скоплений галактик и атмосферы горячего газа. А между скоплениями, по теории, должны возникать нитевидные структуры, те самые филаменты. Именно в точках пересечения этих нитей находятся скопления галактик. Существование такой картины предсказывают численные расчеты роста возмущений плотности даже во Вселенной, заполненной лишь темным веществом». Наличие барионного вещества (привычная нам форма вещества, отличная от темной материи.— «О»), проявляющего себя в виде разреженного газа и звезд в галактиках, открывает возможность подтвердить наблюдениями эту картину.

— Успехи современной астрофизики во многом связаны с теорией, названной «эффектом Сюняева — Зельдовича». Как вы к ней пришли?

— Астрофизика и особенно космология хороши тем, что могут предоставлять теоретикам физические условия, практически недостижимые в земных лабораториях: высокие и сверхнизкие температуры, громадные плотности энергии излучения и вещества, колоссальные магнитные поля или, наоборот, крайне разреженную плазму с плотностью всего лишь в одну частицу в десятках кубических метров, но при громаднейших размерах объектов. При этом хорошо известные физические процессы могут приводить к совершенно неожиданным следствиям. Когда мы с Яковом Борисовичем Зельдовичем предложили экспериментаторам искать проявления эффекта, называемого теперь SZ-effect, в него мало кто поверил.

— И долгое время это оставалось теорией…

— Да, экспериментаторы старались, но чувствительности детекторов не хватало еще лет тридцать. Хотя сейчас этим методом открыты многие тысячи скоплений галактик, по нему опубликованы многие сотни экспериментальных и теоретических статей. Помогли известный всем космологический спутник ПЛАНК, замечательные телескоп на Южном полюсе Земли и Атакамский космологический телескоп в Чили.

— Примерно 10 лет назад вас избрали членом Американского философского общества. Что там сегодня обсуждают?

— Это достойнейшее место, начало которому положили еще отцы — основатели Америки, в том числе Томас Джефферсон и Бенджамин Франклин. Два раза в год (когда удается) я бываю на собраниях, где обсуждают чрезвычайно широкий круг тем. Мне, например, запомнилось выступление профессора Принстонского университета, который изучал культуру мигрантов в беднейших районах Лос-Анджелеса. В Америке многие годы считалось, что все приехавшие должны немедленно забыть свои корни и выучить английский язык, чтобы общаться только на нем. Но оказалось, что в тех семьях, где говорили на родном языке, дети гораздо реже попадают в банды, чем там, где родители пытаются говорить с ними на корявом и бедном английском. Для проявления личности, для установления доверительных отношений с детьми принципиально важно, чтобы взрослые говорили на красивом и богатом языке, чтобы они могли точно выразить свою мысль, дать развернутый совет и так далее. А английский дети освоят, столь велико влияние школы, интернета и массовой культуры. Меня это поразило.

— В одном из интервью вы сказали, что мы станем свидетелями научно-технической революции. Что вы имели в виду?

— Мы уже давно переживаем настоящую научно-техническую революцию: например, спокойно говорим из разных стран по Zoom, а я прекрасно помню, как в июле 1960 года, когда поступил в московский Физтех, стоял в двухчасовой очереди на Центральном телеграфе, чтобы позвонить в Ташкент и сообщить родителям, что меня приняли. Жизнь стала другой, а через сто лет она будет еще более интересной, чем сейчас.

«Огонек» в рамках совместного медиапроекта со Сколковским институтом науки и технологий продолжает публикацию цикла интервью с ведущими отечественными физиками. В № 37 за 2018 год была опубликована беседа с Владимиром Захаровым; в № 39 за 2018 год — с Ильдаром Габитовым; в № 45 за 2018 год — с Валерием Рубаковым; в № 2 за 2019 год — с Альбертом Насибулиным, в № 11 за 2019 год — с Алексеем Старобинским, в № 20 — со Львом Зелёным, в № 23 — с Михаилом Фейгельманом, в № 30 — с Александром Белавиным, в № 38 — с Валерием Рязановым в № 47—Юрием Оганесяном, в № 2 за 2020 год — с Алексеи Китаевым, в №11 за 2020 год с — Владимиром Драчевым, с Александром Замолодчиковвым в № 18, со Львом Иоффе в № 24, с Фазоилом Атауллахановым в № 27, с Геннадием Борисовым в №30, с Владимиром Кекелидзе в №35, с Юрием Ковалевым в №39, с Андреем Медведевым в №42.

Где край вселенной?

Категория: Космос      Опубликовано: 20 января 2016 г.

Изображение общественного достояния, источник: NASA/JPL-Caltech/ESO/Univ. Мичигана.

Насколько мы можем судить, у Вселенной нет края. Пространство бесконечно простирается во всех направлениях. Более того, галактики заполняют все пространство всей бесконечной вселенной. Этот вывод достигается путем логического объединения двух наблюдений.

Во-первых, та часть Вселенной, которую мы можем видеть, однородна и плоская в космическом масштабе. Однородность Вселенной означает, что группы галактик распределены более или менее равномерно в космическом масштабе. Плоскостность Вселенной означает, что геометрия пространства-времени не искривлена ​​и не искривлена ​​в космическом масштабе. Это означает, что вселенная не обертывается и не соединяется сама с собой, как поверхность сферы, что привело бы к конечной вселенной. Плоскостность Вселенной на самом деле является результатом однородности Вселенной, поскольку концентрированные массы вызывают искривление пространства-времени. Луны, планеты, звезды и галактики являются примерами концентрированных скоплений массы, и поэтому они действительно искажают пространство-время вокруг себя. Однако эти объекты настолько малы по сравнению с космическим масштабом, что искривление пространства-времени, которое они вызывают, ничтожно мало в космическом масштабе. Если вы усредните все луны, планеты, звезды и галактики во Вселенной, чтобы получить крупномасштабное выражение для распределения массы во Вселенной, вы обнаружите, что оно постоянно.

Второе наблюдение заключается в том, что наш уголок Вселенной не является чем-то особенным или отличным от других. Поскольку та часть Вселенной, которую мы можем видеть, плоская и однородная, и поскольку наш уголок Вселенной не особенный, все части Вселенной должны быть плоскими и однородными. Единственный способ, чтобы Вселенная была плоской и однородной буквально везде , это чтобы Вселенная была бесконечной и не имела границ. Этот вывод трудно понять нашему жалкому человеческому уму, но это наиболее логичный вывод, учитывая научные наблюдения. Если бы вы вечно летели на космическом корабле по прямой линии, вы бы никогда не достигли стены, границы, края или даже области Вселенной, где нет групп галактик.

Но как вселенная может не иметь края, если она была создана в результате Большого Взрыва? Если Вселенная начиналась с конечного размера, разве она не должна быть конечной? Ответ заключается в том, что вселенная , а не изначально имела конечный размер. Большой взрыв не был похож на бомбу на столе, которая взорвалась и расширилась, заполнив комнату обломками. Большой взрыв не произошел в какой-то точке Вселенной. Это произошло одновременно во всей Вселенной. По этой причине остатки Большого взрыва, космическое микроволновое фоновое излучение, существуют повсюду в космосе. Даже сегодня мы можем заглянуть в любой уголок Вселенной и увидеть космическое микроволновое фоновое излучение. Взрывное расширение Вселенной не было случаем расширения физического объекта в космос. Скорее, это был случай расширения самого пространства. Вселенная начиналась как бесконечно большой объект и превратилась в еще больший бесконечно большой объект. Хотя людям трудно понять бесконечность, это вполне обоснованная математическая и научная концепция. В самом деле, в науке вполне разумно предположить, что сущность с бесконечными размерами может увеличиваться в размерах.

Обратите внимание, что люди могут видеть только часть всей вселенной. Мы называем эту часть «наблюдаемой Вселенной». Поскольку свет движется с конечной скоростью, свету требуется определенное время, чтобы пройти определенное расстояние. Многие точки во Вселенной просто так далеко, что свет от этих точек еще не успел с момента возникновения Вселенной дойти до Земли. А поскольку свет распространяется с максимально возможной скоростью, это означает, что никакая информация или сигнал не успели достичь Земли из этих далеких точек. Такие места в настоящее время принципиально находятся за пределами нашей сферы наблюдения, то есть за пределами нашей наблюдаемой Вселенной. Каждое место во Вселенной имеет свою собственную сферу наблюдения, за пределы которой оно не может заглянуть. Поскольку наша наблюдаемая Вселенная не бесконечна, у нее есть край. Это не означает, что на границе нашей наблюдаемой Вселенной есть стена энергии или гигантская пропасть. Край просто отмечает разделительную линию между местами, которые в настоящее время могут видеть земляне, и местами, которые мы в настоящее время не можем видеть. И хотя у нашей наблюдаемой Вселенной есть край, Вселенная в целом бесконечна и не имеет края.

С течением времени все больше и больше точек в пространстве имеют время, чтобы их свет достиг нас. Поэтому наша наблюдаемая Вселенная постоянно увеличивается в размерах. Поэтому вы можете подумать, что по прошествии вечности вся вселенная будет доступна для наблюдения людьми. Однако есть осложнение, препятствующее этому. Сама Вселенная все еще расширяется. Хотя нынешнее расширение Вселенной не такое быстрое, как во время Большого Взрыва, оно столь же реально и важно. В результате расширения Вселенной все группы галактик постоянно удаляются друг от друга. Многие галактики находятся так далеко от Земли, что расширение Вселенной заставляет их удаляться от Земли со скоростью, превышающей скорость света. Хотя специальная теория относительности не позволяет двум локальным объектам когда-либо двигаться друг относительно друга со скоростью, превышающей скорость света, она не препятствует тому, чтобы два удаленных объекта удалялись друг от друга со скоростью, превышающей скорость света, в результате расширения Вселенной. Поскольку эти далекие галактики удаляются от Земли со скоростью, превышающей скорость света, свет от этих галактик никогда не достигнет нас, сколько бы мы ни ждали. Следовательно, эти галактики всегда будут находиться за пределами нашей наблюдаемой Вселенной. Другими словами, хотя размер наблюдаемой Вселенной увеличивается, размер реальной Вселенной также увеличивается. Край наблюдаемой Вселенной не успевает за расширением Вселенной, поэтому многие галактики навсегда остаются за пределами нашего наблюдения. Несмотря на это ограничение наблюдательных возможностей, у самой Вселенной по-прежнему нет края.

Темы:
Большой взрыв, край вселенной, вселенная

Есть ли у Вселенной преимущество?

Шаровое скопление NGC 6397 (на этом изображении, полученном космическим телескопом Хаббла), расположенное на расстоянии около 7200 световых лет от нас, оценивается в 13,5 миллиардов лет; что делает скопление одним из первых объектов галактики, сформировавшихся после Большого взрыва.
(Изображение предоставлено НАСА, ЕКА и Х. Ричером (Университет Британской Колумбии))

Ученые теперь знают, что Вселенная расширяется со все возрастающей скоростью. Итак, если он раздувается, во что он вырастает? Другими словами, что находится за пределами известной вселенной?

Определение «за пределами вселенной» подразумевает, что у вселенной есть край. И здесь все становится сложнее, потому что ученые не уверены, существует ли такое снижение.

Ответ зависит от того, как посмотреть на вопрос.

Скалолаз

Одна из форм вопроса спрашивает: «Не могли бы вы пойти куда-нибудь, откуда вы могли бы заглянуть «за пределы» вселенной?» строительство? Ответ на этот вопрос «вероятно, нет».

Одна из причин связана с «космологическим принципом», сказал Роберт Макнис, адъюнкт-профессор физики Чикагского университета Лойолы. Космологический принцип гласит, что распределение материи в любой части Вселенной выглядит примерно таким же, как и в любой другой части, независимо от того, в каком направлении вы смотрите; с точки зрения ученых, Вселенная изотропна.

Космологический принцип отчасти является следствием идеи о том, что законы физики везде одинаковы. «Существует множество локальных вариаций — звезды, галактики, скопления и т. д. — но в среднем по большим участкам пространства ни одно место на самом деле не отличается так сильно, как где-либо еще», — сказал МакНис Live Science в электронном письме 9.0003

Подразумевается, однако, что «грани» нет; некуда идти там, где вселенная просто заканчивается, и можно было бы посмотреть в каком-то направлении и увидеть, что за ней.

Одной из аналогий, часто используемой для описания этой безграничной вселенной, является поверхность воздушного шара. Муравей по такой поверхности может идти в любом направлении, и поверхность будет казаться «неограниченной» — то есть муравей может вернуться туда, откуда начал, но пути не будет конца. Таким образом, несмотря на то, что поверхность воздушного шара представляет собой конечное число квадратных единиц, у нее нет ни края, ни границы (поскольку вы можете бесконечно лететь в любом направлении). Кроме того, нет «центра», поэтому нет предпочтительной точки на сферической поверхности воздушного шара.

Вселенная представляет собой трехмерную версию оболочки воздушного шара.

Вселенная на воздушном шаре

Но как вселенная может расширяться, если у нее нет ни конца, ни края?

Снова используя аналогию с воздушным шаром, если бы кто-то добавил в воздушный шар больше воздуха, муравей заметил бы, что другие предметы на поверхности воздушного шара удаляются. И чем больше расстояние между муравьем и каким-либо объектом, тем быстрее этот объект будет удаляться. Но независимо от того, куда несся муравей, скорость, с которой эти объекты удалялись, подчинялась тем же соотношениям — если муравей придумал уравнение, описывающее, насколько быстро удаляются самые дальние объекты, оно работало бы одинаково в любом месте на поверхности воздушного шара. .

Однако при надувании воздушные шары расширяются в трехмерное пространство. Проблема в том, что это не относится к вселенной. По определению, Вселенная содержит все, поэтому нет «внешнего». Физик Стивен Хокинг часто говорил, что весь этот вопрос не имеет смысла, потому что, если Вселенная возникла из ничего и привела к существованию все, то спрашивать, что находится за пределами Вселенной, все равно что спрашивать, что находится к северу от Северного полюса. [Большой взрыв цивилизации: 10 удивительных событий происхождения]

Доктор Кэти Мак, астрофизик-теоретик из Мельбурнского университета в Австралии, рассказала Live Science, что было бы полезнее думать, что Вселенная становится менее плотной, а не расширяется. То есть концентрация материи во Вселенной уменьшается по мере расширения Вселенной, сказала она.

Это потому, что галактики не удаляются друг от друга в пространстве — само пространство становится больше. Таким образом, любые инопланетяне в галактиках, которые видят люди, придут к тому же выводу, что и земляне: все остальное движется во всех направлениях, а местная галактика покоится.

Поскольку пространство расширяется, галактики могут казаться движущимися быстрее скорости света, не нарушая при этом теории относительности, согласно которой ничто не может двигаться быстрее скорости света в вакууме. Фактический размер наблюдаемой Вселенной составляет 46 миллиардов световых лет в любом направлении, хотя Вселенная началась всего 13,8 миллиарда лет назад, сказал Мак. Но это по-прежнему устанавливает ограничение на размер Вселенной, которую люди могут видеть, называемой наблюдаемой Вселенной. Все, что находится за пределами этого радиуса в 46 миллиардов световых лет, земляне не видят и никогда не увидят. Это потому, что расстояния между объектами во Вселенной продолжают увеличиваться со скоростью, превышающей скорость, с которой лучи света достигают Земли.

И вдобавок скорость расширения не была одинаковой. В течение короткой доли секунды после Большого взрыва был период ускоренного расширения, называемого инфляцией, во время которого Вселенная росла гораздо быстрее, чем сейчас. По этой причине целые регионы космоса никогда не будут видны с Земли. Мак отметил, что если предположить, что инфляция произошла, Вселенная на самом деле в 10 ²³ раз больше, чем 46 миллиардов световых лет, которые могут видеть люди. Так что если у Вселенной и есть край, то он так далеко, что земляне его не видят и никогда не увидят. [Большой взрыв, сдутый? Вселенная могла не иметь начала]

Бесконечное пространство?

Между тем, существует вопрос о том, бесконечна ли Вселенная в пространстве с самого начала, что, по словам Мака, все еще остается открытым вопросом. Или вселенная может обернуться вокруг себя в более высоком измерении так же, как двумерная поверхность сферы обернута вокруг себя в трех измерениях, сказала она.

Дополнительным фактором является то, возникла ли Вселенная вообще из ничего, в результате небольших флуктуаций в вакууме, или, как предположили Хокинг и Джеймс Хартл, время и пространство стали взаимозаменяемыми ближе к началу. Если это так, то спрашивать, что было до Вселенной и что вне ее, не имеет смысла.

Мак сказал, что в настоящее время предпринимаются попытки решить вопрос о том, подобна ли Вселенная сфере, которая изгибается сама по себе, так что если вы путешествуете в одном направлении, вы в конце концов возвращаетесь в исходную точку.

«Мы ищем повторяющиеся пятна в небе», сказала она. «Это то, что люди ищут, когда ищут доказательства того, что Вселенная конечна… Наше пространство может быть трехмерным пространством, встроенным в четырехмерное пространство». (Вселенная имеет четыре измерения, с которыми взаимодействуют люди, три пространственных и одно временное, но это подразумевает наличие дополнительного, четвертого пространственного измерения.)

Если бы астрономы нашли два совершенно одинаковых места на противоположных сторонах неба, это было бы убедительным признаком того, что Вселенная искривлена ​​таким образом. Хотя никаких гарантий нет. В то время как некоторые космологические теории, такие как теория струн, постулируют более высокие измерения, большинство из них будут «свернутыми» и маленькими, тогда как «дополнительное» пространственное измерение искривленной Вселенной должно быть большим.

Все это означает, что если у Вселенной есть конец, люди вполне могут никогда его не увидеть, и существует реальная вероятность того, что Вселенная устроена так, что у нее не может быть границ с самого начала.

Следите за Маленькими Тайнами Жизни в Твиттере @llmysteries. Мы также есть в Facebook и Google+.

Джесси Эмспак — автор статей для Live Science, Space.com и Toms Guide. Он занимается физикой, здоровьем человека и общей наукой. Джесси имеет степень магистра искусств Калифорнийского университета, Школы журналистики Беркли и степень бакалавра искусств Университета Рочестера. Джесси провел годы, освещая финансы, и набился зубами в местных газетах, работая с местными политиками и полицией. Джесси любит вести активный образ жизни и имеет черный пояс третьей степени по каратэ, что означает, что теперь он знает, как многому ему еще предстоит научиться.

Жуткие космические снимки показывают жуткую сторону космоса

1 из 29 НАСА, ЕКА и У. Кил (Университет Алабамы)

Космос — это не только счастливые мерцающие звезды. Во тьме есть много страшных зрелищ в виде призрачных туманностей, зияющих солнечных пятен и далекой луны, похожей на Звезду Смерти.

Космический телескоп Хаббл НАСА и ЕКА запечатлел две галактики в процессе столкновения на этом изображении, сделанном в октябре 2020 года. Оранжевый цвет галактик и вид фонаря из тыквы принесли им прозвище «Большая тыква» в честь анимированного Особый арахис Это отличная тыква, Чарли Браун.

2 из 29 ESO

Очень Большой Телескоп ESO сделал новый жуткий снимок туманности Череп как раз к Хэллоуину 2020 года. Туманность является домом для нескольких звезд, которые разыгрывают сложный орбитальный танец. Вид телескопа подчеркивает содержание водорода (красный) и кислорода (светло-синий) в туманности.

3 из 29 NASA/ESA/J. Далкантон/Б.Ф. Уильямс/М. Дурбин (Вашингтонский университет)

НАСА и ЕКА отпраздновали Хэллоуин в 2019 году этим изображением космического телескопа Хаббла двух сталкивающихся галактик. Разрушение и окружающее кольцо делают место крушения похожим на лицо со светящимися глазами.

4 из 29 NASA/GSFC/SDO

В 2014 году НАСА создало атмосферу Хэллоуина, опубликовав это случайное изображение Солнца, сделанное Обсерваторией солнечной динамики, на котором изображено ухмыляющееся лицо тыквенного фонаря. Ряд активных областей на Солнце создает впечатление, что на ближайшей к нам звезде была вырезана космическая тыква.

5 из 29 НАСА, ЕКА и STScI

Команда космического телескопа Хаббл НАСА и ЕКА поделилась этим впечатляющим изображением туманности Змеи на Хэллоуин в 2018 году. Правильно. Они похожи на расправленные крылья летучей мыши.

6 из 29 ЕКА/Хаббл, НАСА

У Каспера есть конкуренты. Туманность Призрак преследует созвездие Кассиопеи на этом изображении 2018 года, полученном космическим телескопом Хаббл. Спектральный вид исходит от завесы газа и пыли.

7 из 29 ESO

В октябре 2018 года Европейская южная обсерватория опубликовала снимок области звездообразования под названием NGC 2467. Она более известна как туманность Череп и скрещенные кости благодаря своему жуткому внешнему виду.

«На самом деле это не одна туманность, и составляющие ее звездные скопления движутся с разными скоростями», — сказали в ESO. Это просто жуткое совпадение, что он напоминает широко раскрытый череп.

8 из 29 НАСА/Лаборатория реактивного движения/Университет Аризоны

Марсианский разведывательный орбитальный аппарат НАСА в 2018 году увидел множество «пауков», когда посмотрел вниз и заметил эти дикие образования на поверхности. Техническое название для них — «аранеформы», но они более известны как просто пауки.

 НАСА сообщило, что пауки «характеризуются несколькими каналами, сходящимися в одной точке, напоминающими длинные ноги паука».

9 из 29 NASA/JPL-Caltech/Univ. Виск.

Это жуткое ползучее образование в космосе может выглядеть как паук, но на самом деле это туманность. Известная как туманность Черная Вдова, она сформирована из двух пузырей и действует как питомник для маленьких звезд. Из-за толстого тела он больше похож на прыгающего паука, но имя Черная вдова придает ему опасный вид.

10 из 29 ESA/NASA/Samantha Cristoforetti

В марте 2015 года астронавты Международной космической станции посмотрели вниз и увидели впечатляющий вид тайфуна Майсак, когда он превратился в шторм категории 5.

Астронавт Европейского космического агентства Саманта Кристофоретти запечатлела невероятный взгляд на эпицентр бури. Грубая мощь формации видна даже с безопасного расстояния в космосе. Дождь и молния спрятались под вихрем облаков.

11 из 29NASA/JPL-Caltech/MSSS

В середине 2014 года Интернет был очень взволнован открытием на Марсе того, что очень похоже на бедренную кость. НАСА поспешило объяснить, что звезда на фотографии — это просто скала, сформированная в результате эрозии, вызванной ветром или водой. Извините, ребята, на Марсе нет секретного могильника инопланетян.

12 из 29 ESA/NASA

Нет, это не кадр из фильма «Паранормальное явление 20: Призраки в космосе». Астронавт Европейского космического агентства Александр Герст сделал этот снимок в рамках серии фотографий, на которых запечатлена Международная космическая станция ночью. Пустые скафандры с чехлами на шлемах выглядят как хорошее начало фильма ужасов.

13 из 29 НАСА/STScI Оцифрованное исследование неба/Ноэль Карбони

Смотреть на туманности в космосе очень похоже на то, как смотреть на проплывающие облачные образования и решать, какие объекты они вам напоминают. Туманность Голова Ведьмы получила свое популярное название из-за сходства с лицом сверхъестественной женщины, творящей магию. Слышится резкий шум и такой же острый подбородок, торчащий снизу. Он получает свое свечение от света, отраженного от звезды Ригель. Смотрите на него слишком долго, и он может наложить на вас космическое заклинание.

14 из 29 NASA/ESA/A. Саймон (Центр космических полетов имени Годдарда)

Ученые НАСА смотрели на Юпитер, и Юпитер смотрел в ответ. На этом изображении, полученном космическим телескопом Хаббл в 2014 году, виден темный зрачок в центре «глаза» большой планеты. Черный круг на самом деле является тенью спутника Ганимеда, но время фото идеально подходит для превращения Юпитера в космического циклопа.

15 из 29 Группа наследия Хаббла (STScI) и НАСА

На этом снимке Хаббла из призрачной туманности появляется темная фигура, похожая на человека. Туманность официально известна как NGC 19.99 и приобретает свой голубоватый цвет от отраженного звездного света. «Зловещая темная туманность на самом деле представляет собой конденсацию холодного молекулярного газа и пыли, настолько густую и плотную, что она блокирует свет», — отметили в НАСА.

16 из 29 Picasa

Образования на поверхности Марса не становятся более известными, чем лицо на Марсе. Орбитальный аппарат НАСА «Викинг-1» сделал исходное изображение в 1976 году. На нем был виден холмик с двумя глазами, носом, ртом и интересной прической. Теоретики пришельцев были взволнованы возможностью памятника на Марсе.

В 2001 году космический аппарат НАСА Mars Global Surveyor повторно посетил причудливое образование. Изображение с более высоким разрешением показало, что лицо на самом деле было просто причудливой насыпью поверхностного материала.

17 из 29 NASA/CXC/SAO/P.Slane, et al.

Пульсар в центре этого снимка 2009 года, сделанного рентгеновской обсерваторией НАСА Чандра. «Пульсар — это быстро вращающаяся нейтронная звезда, которая извергает энергию в пространство вокруг себя, создавая сложные и интригующие структуры, в том числе такую, которая напоминает большую космическую руку», — отмечает НАСА. Бестелесная призрачная рука, похоже, цепляется за пустоту.

18 из 29 Солнечная обсерватория Big Bear/NJIT

Солнце — активное место с нитями, дырами и вспышками, постоянно перемещающимися по его поверхности. Это крупный план впечатляющего солнечного пятна, увиденного телескопом Солнечной обсерватории Биг-Беар в 2010 году. Это может напомнить вам взгляд в зияющую зубастую пасть сарлакковой ямы из «Звездных войн». Не волнуйся. Он не съест Землю. Этого солнечного пятна уже давно нет.

19 из 29 ЕКА, Хаббл, Р. Сахаи (Лаборатория реактивного движения), НАСА

9Туманность 0002 IRAS 05437+2502 имеет не очень броское название, но определенно выглядит как устрашающее космическое образование. Посмотрите на него достаточно долго, и вы можете увидеть призрак, поднимающийся из-за облаков пыли. НАСА и космический телескоп Хаббла ЕКА сделали это изображение в 2010 году. Ученые не уверены, что вызывает яркую светящуюся дугу вблизи центра.

20 из 29 NASA/JPL/SSI

У Сатурна более 60 спутников, но ни один из них не похож на смертоносный космический корабль из «Звездных войн», как Мимас. Мимас получил прозвище «Луна Звезды Смерти» благодаря большому круглому кратеру, который выглядит как фокусирующая линза суперлазера на космическом корабле Дарта Вейдера. Этот четкий снимок Мимаса был сделан космическим кораблем НАСА «Кассини» во время близкого пролета Луны в 2010 году. 0003

21 из 29 Gemini South GMOS, Трэвис Ректор (Университет Аляски)

Планетарная туманность NGC 246 имеет гораздо более хэллоуинское прозвище: «Туманность Череп». Он расположен на расстоянии 1600 световых лет от нас и окружает умирающую звезду. Чтобы увидеть череп, может потребоваться активное воображение, но это определенно призрачное галактическое творение.

22 из 29 НАСА, ЕКА, П. Калас

Это может выглядеть как Око Саурона из «Властелина колец», но на самом деле это снимок космического телескопа Хаббл, показывающий планету под названием Фомальгаут b, вращающуюся вокруг звезды. Это «первый снимок планеты, вращающейся вокруг другой звезды, в видимом свете», — говорится в сообщении НАСА об открытии в 2008 году.

23 из 29 NAIC-Arecibo/NSF

На Хэллоуин в 2015 году жуткий астероид безвредно пролетел мимо Земли, но произвел неизгладимое впечатление благодаря своему внешнему виду, напоминающему череп, на радиолокационных снимках. На этой гифке показано, как астероид вращается в космосе. Обратите внимание на темные области, которые выглядят как два полых глаза.

24 из 29 ESA/Hubble & NASA, Благодарности: Джуди Шмидт (Geckzilla)

Туманность Тарантул получила свое название от того, что Европейское космическое агентство описывает как «тонкие, паучьи нити газа». На этом изображении, сделанном космическим телескопом Хаббла в 2017 году, видна ползучая туманность, но на снимке также есть приглашенная звезда. Пузырьковая туманность Honeycomb появляется в левом нижнем углу изображения.

25 из 29 НАСА и ЕКА, Благодарность: М. Вайскопф/Центр космических полетов Маршалла

НАСА отпраздновало Хэллоуин в 2016 году этим спектральным изображением Крабовидной туманности, полученным космическим телескопом Хаббл. Мертвая нейтронная звезда находится внутри тонкой туманности. Это побудило НАСА сослаться на классический рассказ Эдгара Аллана По «Сердце-обличитель», жуткий трактат об убийце, который не может перестать слышать сердцебиение мертвеца.

26 из 29 Скриншот видео Аманды Кусер/CNET

Вы можете до сих пор смотреть на это видео и думать, не из какого-то будущего фильма «Планета обезьян», где обезьяны отправляются в космос. Это на самом деле из видео 2016 года, на котором астронавт НАСА Скотт Келли в костюме гориллы находится на борту Международной космической станции. Корабль снабжения доставил скафандр на орбиту как часть пакета помощи.

27 из 29 NASA/JPL-Caltech/MSSS, красный кружок добавлен CNET

Марсоход Curiosity сделал в мае 2016 года это изображение довольно типичного марсианского пейзажа. Если вы прищуритесь на скалу, обведенную красным, и дадите волю своему воображению, то вы можете согласиться с некоторыми энтузиастами инопланетян, которые думают, что это похоже на череп снежного человека. Это не так, но забавно представить потерянное племя бигфутов (бигфутов?), бегающих по красной планете.

28 из 29 NASA/JPL-Caltech/ESA, Группа наследия Хаббла (STScI/AURA)

Космический телескоп Хаббл в 1996 году всмотрелся в туманность Песочные часы и поймал туманность, смотрящую назад. На этом поразительном изображении видно что-то похожее на широко открытый глаз в центре туманности.

Согласно НАСА, одна из теорий состоит в том, что «форма песочных часов возникает в результате распространения быстрого звездного ветра в медленно расширяющемся облаке, плотность которого выше у экватора, чем у полюсов». Мы, наверное, все согласны с тем, что из этого получился бы потрясающий постер с черным светом.

29 из 29 ЕКА, НАСА и Мохаммад Хейдари-Малаери (Парижская обсерватория, Франция)

Бу! Всмотритесь вглубь этого изображения туманности Голова Призрака, и вы увидите два ярких «глаза», смотрящих назад. Команда Хаббла описывает эти пятна как «очень горячие, светящиеся «капли» водорода и кислорода».

Что лежит за краем наблюдаемой Вселенной?

Начало всего

Примерно 13,75 миллиарда лет назад возникла наша Вселенная. Вскоре после этого изначальный свет начал пронизывать космос и распространяться по ранней Вселенной. В этот момент расширялась и сама Вселенная. Инфляция Вселенной замедлилась после первого первоначального взрыва, но с тех пор скорость расширения неуклонно увеличивается из-за влияния темной энергии.

По сути, с момента своего возникновения космос растет с постоянно возрастающей скоростью. Космологи подсчитали, что самые старые фотоны, которые мы можем наблюдать, прошли расстояние в 45-47 миллиардов световых лет с момента Большого взрыва. Это означает, что наша наблюдаемая Вселенная имеет ширину около 93 миллиардов световых лет (плюс-минус несколько световых лет). Эти 93 с лишним миллиарда световых лет содержат все кварки, квазары, звезды, планеты, туманности, черные дыры… и все остальное, что мы можем наблюдать; однако наблюдаемая вселенная содержит только тот свет, который успел до нас дойти.

Существует намного больше Вселенной, чем мы можем наблюдать.

Как Вселенная может иметь диаметр 93 миллиарда световых лет, если ей всего 13,8 миллиарда лет? У Лайта не было достаточно времени, чтобы путешествовать так далеко…? В конечном счете, понимание этого аспекта физики является ключом к пониманию того, что находится за краем наблюдаемой Вселенной и сможем ли мы когда-нибудь добраться туда.

Чтобы разобрать это, согласно специальной теории относительности, объекты, которые находятся близко друг к другу, не могут двигаться быстрее скорости света по отношению друг к другу; однако такого закона нет для объектов, чрезвычайно удаленных друг от друга, когда пространство между ними само расширяется. Короче говоря, дело не в том, что объекты движутся быстрее скорости света, а в том, что пространство между объектами расширяется, заставляя их разлетаться друг от друга с поразительной скоростью.

9в 23 раза больше, чем размер наблюдаемой Вселенной.

Сверхглубокое поле через Хаббл/НАСА

Нам не хватает многих вселенных. Итак, что *точно* нам не хватает? Что находится за пределами наблюдаемой Вселенной? К сожалению, поскольку мы не можем это увидеть или измерить, мы не знаем, что находится за пределами наблюдаемой Вселенной. Однако у нас есть несколько теорий относительно того, что существует в великом неизвестном.

Встреча с неизвестным

Несмотря на свою странность, эта первая идея одна из самых простых для восприятия. Астрономы считают, что пространство за пределами наблюдаемой Вселенной может быть бесконечным пространством того, что мы видим в окружающем нас космосе, распределенным почти так же, как и в наблюдаемой Вселенной. Это кажется логичным. В конце концов, не имеет смысла, чтобы какая-то часть Вселенной отличалась от того, что мы видим вокруг себя. И, честно говоря, кто может представить себе вселенную, у которой есть конец — огромная кирпичная стена, притаившаяся на краю?

Итак, в каком-то смысле бесконечность имеет смысл. Но «бесконечность» означает, что за пределами наблюдаемой вселенной вы не просто найдете больше планет, звезд и других форм материи… вы в конце концов найдете все, что только можно. Каждый. Возможный. Вещь.

Значит, если это так и мы доведем это до логического завершения, то где-то там есть другой человек, идентичный вам во всех возможных отношениях, и есть также вы, который только немного отличается от вас всеми возможными способами (один на дюйм короче; один попал под автобус 5 лет назад и умер; у одного отсутствует палец и т. д.). Фактически, этот «другой вы» может читать эту статью прямо сейчас; разница только в том, что они просто ковыряли в носу, а вы нет (или ковыряли?). Это понятие кажется немыслимым. Но тогда бесконечность довольно непостижима.

Модель темного потока

Другая теория имеет дело с так называемым «темным потоком». В 2008 году астрономы обнаружили нечто очень странное и неожиданное: все галактические скопления двигались в одном направлении с огромной скоростью, более двух миллионов миль в час. Одна из возможных причин: массивные структуры за пределами наблюдаемой Вселенной, оказывающие гравитационное воздействие. Что касается самих структур, то они могут быть буквально чем угодно: поразительно огромными скоплениями материи и энергии (в масштабах, которые мы с трудом можем себе представить) или даже причудливыми искривлениями пространства-времени, направляющими гравитационные силы из других вселенных. Мы просто не знаем, что это могут быть за массивные объекты. Примечательно, что недавние анализы утверждали, что опровергают модель темного потока, но это разоблачение все еще оспаривается.

Другой вариант включает в себя вселенную вселенных. Некоторые считают, что вся наша Вселенная может существовать в маленьком «пузыре» посреди огромного множества других пузырей. Теоретики называют это «мультивселенной». Интересно, что идея утверждает, что эти вселенные могут соприкасаться друг с другом — гравитация может течь между этими параллельными вселенными, и когда они соединятся, может произойти Большой взрыв, подобный тому, который создал нашу Вселенную.

Эти идеи — лишь некоторые из наиболее популярных гипотез. Их намного больше, но

Поделиться этой статьей

Как далеко находится край Вселенной?

Мы задаем преподавателю музея Джанин все ваши вопросы о том, как далеко находятся вещи, от Луны до края Вселенной, во время этого подкаста Pulsar, предоставленного вам #MOSatHome. Мы задаем вопросы, присланные слушателями, поэтому, если у вас есть вопрос, который вы хотели бы задать эксперту, отправьте его нам по адресу sciencequestions@mos. org.

ЭРИК: В Музее науки нас часто спрашивают, как далеко находятся объекты в космосе. Простой ответ: очень, очень далеко.

Сегодня на Пульсаре мы получим более точные ответы, начиная с самых близких к нашей родной планете вещей и заканчивая нашим выходом на край вселенной. И попутно мы узнаем: откуда мы знаем, как далеко находятся эти вещи?

Спасибо Facebook Boston за поддержку этого эпизода Pulsar. Я ваш хозяин, Эрик, а сегодня у меня в гостях Джанин из нашего отдела форумов. Джанин, большое спасибо, что отправились со мной в это путешествие по вселенной.

ДЖАНИН: Да, конечно, рада быть здесь.

ЭРИК: Итак, давайте начнем с самого близкого к нам природного объекта здесь, на Земле. Как далеко луна?

ДЖАНИН: Хорошо, тогда я буду использовать единицу измерения, с которой вы, вероятно, хорошо знакомы. В среднем это около 238 855 миль, и я говорю в среднем, потому что расстояние меняется.

Луна не вращается вокруг Земли по идеальной окружности, но это нечто абстрактное, и для вас это ничего не значит, верно?

Итак, если бы Земля была размером с баскетбольный мяч, Луна была бы размером с теннисный мяч. Расстояние между ними примерно 23 фута 9 дюймов, что составляет около 30 земных, что для меня безумие.

ЭРИК: Это дальше, чем вы думаете.

ДЖАНИН: Это действительно так. Я всегда думаю, что все в космосе имеет больше места, чем мы ожидаем, поэтому даже наш ближайший сосед находится в 30 раз больше, чем мы.

ЭРИК: И это самое дальнее место, которое мы когда-либо исследовали вместе с людьми, и нас часто спрашивают, сколько времени понадобилось этим людям, чтобы добраться до Луны?

ДЖАНИН: Аполлон-11, наши первые астронавты высаживаются на Луну. От взлета до посадки им потребовалось 102 часа 45 минут и 40 секунд, чтобы добраться до Луны.

Итак, это 4,25 дня, но они шли не по прямой, и это потому, что. .. ну, есть много причин, но в основном это потому, что это самый эффективный способ добраться туда.

Все, на что вы отправляетесь в космос, требует топлива, поэтому чем больше у вас топлива, чтобы лететь быстрее, тем больше вы будете весить, так что существует баланс мощности и эффективности, и вы всегда пытаетесь сделать его максимально легким.

Это был скорее круг вокруг Земли, затем пара кругов вокруг Луны, а затем приземление, а не прямой выстрел.

ЭРИК: Так что мы могли бы добраться туда немного быстрее, чем за четыре дня, но не намного быстрее.

ДЖАНИН: Да, я думаю, они говорят, что в среднем в ходе всех миссий нужно около трех дней, чтобы добраться с Земли до Луны.

ЭРИК: Итак, мы не отправляли астронавтов на Луну почти 50 лет. В последнее время они проводят время на Международной космической станции. Как далеко это от поверхности Земли?

ДЖАНИН: Так что на самом деле это намного ближе. Это всего около 254 миль, и я пытался выяснить, какие города на Земле, по крайней мере, в США, находятся близко к этому расстоянию, и я понял, что это примерно расстояние, если вы должны были лететь из Лос-Анджелеса в Лас-Вегас.

ЭРИК: И следующий объект в нашем списке в центре Солнечной системы, Солнце. Как далеко это?

ДЖАНИН: Итак, Солнце — наша ближайшая звезда, и оно находится на расстоянии 92 миллионов миль, что безумие, и теперь мы начинаем достигать таких расстояний в космосе, что говорить о них в милях на самом деле ничего не значит.

На самом деле, среднее расстояние от Земли до Солнца — это единица, которую астрономы называли астрономической единицей, поэтому мы решили, что с точки зрения математики это намного проще вычислить, мы просто скажем, что расстояние от Земли до Солнца равно 1, и тогда вся наша математика может быть проще.

Если бы вы могли путешествовать со скоростью света, чего вы не можете, потому что вы состоите из массы, но если бы вы могли, это заняло бы 8,3 минуты. Что меня поразило, так это то, что свету требуется восемь минут, чтобы путешествовать, и солнце может внезапно погаснуть, и мы не будем знать об этом в течение восьми минут.

ЭРИК: Потому что пройдет восемь минут, прежде чем свет перестанет появляться на Земле.

ДЖАНИН: Да, это безумие.

ЭРИК: Итак, прыгая прямо на край нашего района, нас часто спрашивают, насколько велика Солнечная система. Итак, как далеко находится край Солнечной системы? Есть ли у него хоть какое-то преимущество?

ДЖАНИН: Хорошо, трудно говорить о солнечной системе и о том, что значит быть частью солнечной системы. Мы говорим об этом, когда гравитация солнца больше не является доминирующим полюсом объекта.

Итак, все в космосе притягивает друг друга. Так работает гравитация. Так работает масса.

Мы рассматриваем предметы в Солнечной системе как предметы, которые больше всего притягиваются солнцем, и поэтому они находятся на краю облака Оорта, и если вернуться к той единице астрономической единицы, это примерно 100 000 астрономических единиц.

ЭРИК: Итак, начните с Земли, пройдите мимо Солнца, затем пройдите в 100 000 раз дальше, прежде чем покинуть Солнечную систему.

ДЖАНИН: Да, разве это не бред?

ЭРИК: Так и есть. Это уже так далеко, и говоря об этом, когда мы упомянули внешнюю часть Солнечной системы, нас спрашивают о роботах, которых мы отправили вглубь космоса. Итак, как далеко от Земли находится самый дальний космический корабль, который мы запустили?

ДЖАНИН: Хорошо, вчера я посмотрела это. Так что теперь это немного дальше, но, поскольку мы говорим об астрономии, все в астрономии в любом случае имеет большой диапазон ошибок, так что это нормально. «Вояджер-1», запущенный в 1977 находится на расстоянии около 150 астрономических единиц от Земли.

ЭРИК: Так что это чертовски далеко, но это далеко не так, чтобы оставить позади эффект гравитации солнца. Итак, если оставить Солнечную систему позади, какая следующая ближайшая к нам звезда и как далеко она находится? И поскольку этот вопрос возникает часто, сколько времени понадобится ракете, чтобы добраться туда?

ДЖАНИН: Значит, ближайшая к нам звезда на самом деле является частью трехзвездной системы.

Ближайшая из этих трех звезд — Проксима Центавра, которая находится на расстоянии 4,22 световых года, поэтому, если бы вы могли путешествовать со скоростью света, вам потребовалось бы 4,22 года, чтобы добраться туда, но мы не можем путешествовать со скоростью со скоростью света, так сколько времени потребуется «Вояджеру-1», чтобы добраться туда? Это займет более 73 000 лет.

ЭРИК: Так что, используя современные ракетные технологии, мы просто не доберемся туда в ближайшее время.

ДЖАНИН: Нет. Нет, пространство, как я думаю, мы собираемся установить в этом подкасте, очень большое.

ЭРИК: Теперь, прежде чем мы продолжим наше путешествие, было бы неплохо задать вопрос, который мы получили от Софи. Она хотела знать, как мы измеряем расстояние до вещей во Вселенной, которые действительно находятся далеко.

Планеты довольно легко измерить, мы были на них всех, мы можем видеть их движение, как мы можем измерить расстояние до звезд и галактик?

ДЖАНИН: Да, так что астрономы на самом деле используют кучу разных инструментов, и мы называем это лестницей расстояний, хотя мне нравится думать об этом, как если бы у вас была куча критериев, и вы пытались связать их вместе, и это первый критерий действительно силен, а в конце он сгибается и не супер велик, потому что наша ошибка в знании того, что правильно и насколько точна вещь, увеличивается по мере того, как мы используем разные ступени на этой лестнице.

Но первый шаг, который вы можете использовать, называется параллаксом, и вы можете провести с ним эксперимент прямо сейчас, если хотите.

Вы можете держать палец перед лицом и закрыть левый глаз, а затем закрыть правый глаз и посмотреть, что происходит за ним. И вы заметите, что по отношению к вещам позади него он движется вперед просто потому, что между каждым глазом есть небольшое расстояние.

Итак, мы можем сделать это со звездами, но не с нашими глазами, потому что это слишком маленькое расстояние по сравнению с тем, как далеко находятся звезды.

ЭРИК: Да, кажется, звезды не слишком сильно двигаются, если просто выйти на улицу и подмигнуть им туда-сюда кучу раз.

ДЖАНИН: Да, так что на самом деле мы можем использовать Землю на ее орбите как своего рода мерцание, и поэтому, если мы пойдем и измерим в июне, а затем мы пойдем и измерим в декабре, теперь мы’ У нас разница в шесть месяцев, так что мы на полпути вокруг солнца.

Итак, у нас есть все это расстояние, равное 2 а.е., возвращаясь к этой астрономической единице, это самая длинная базовая линия, которую мы можем получить, находясь на Земле. И мы можем смотреть на звезды и видеть, как они меняются по отношению к вещам позади них, и таким образом мы можем получить прямое расстояние.

ЭРИК: Итак, параллакс кажется довольно хорошим для звезд, которые находятся довольно близко, но вы упомянули и другие методы. Так что же дальше?

ДЖАНИН: Да, следующим шагом будет то, что называется стандартной свечой, и на самом деле первая стандартная свеча была обнаружена недалеко от Музея науки Генриеттой Суонн Левитт в обсерватории Гарвардского колледжа еще в начале 1900-х годов.

Она там была компьютером. Если вас это вообще интересует, есть действительно хорошая книга под названием «Стеклянная вселенная», в которой рассказывается обо всех этих компьютерах, которые работали в обсерватории Гарвардского колледжа, включая Энни Джамп Кэннон, которая очень известна тем, что определяла яркость звезд, отношения об этом.

Генриетта Свон Левитт определила эту первую стандартную свечу. Итак, она работала в обсерватории Гарвардского колледжа, изучая фотопластинки с телескопов. Итак, эти телескопы делали все эти изображения, и им нужны были люди для обработки данных, что сейчас делают многие физические компьютеры, но люди делали тогда.

И она смотрела на определенный тип звезд, называемых переменными цефеидами, и поняла, что существует какая-то связь между тем, как быстро они тускнеют и становятся ярче, и их яркостью.

Эти переменные цефеид очень постоянны, поэтому у нее возникла идея, что, поскольку светимость и период одинаковы, возможно, их можно использовать для определения того, насколько далеко что-то находится.

Итак, стандартная идея свечи состоит в том, что свеча обладает известной нам внутренней яркостью. Мы можем определить это из-за какой-то физической связи или просто изучая физику в целом.

Эта звезда, если мы знаем о ней еще что-то, мы знаем, насколько она яркая, если вы стоите на определенном расстоянии от нее. Итак, если мы знаем, насколько ярким он должен быть, и мы знаем, насколько ярким мы его наблюдаем, мы можем определить расстояние на основе этого, верно?

Если вы знаете, насколько ярко светит ваш фонарик, и знаете, насколько ярко вы его видите, вы можете вычислить, на каком расстоянии он находится.

ЭРИК: Итак, чем дальше что-то находится, тем тусклее оно кажется нам, и если мы знаем его истинную яркость, довольно легко вычислить, насколько далеко это должно быть, чтобы оно выглядело так, как мы его видим.

ДЖАНИН: Да, точно. Итак, они выяснили, что эти переменные цефеид можно использовать таким образом в качестве стандартной свечи. Хотя моя любимая стандартная свеча — это сверхновая типа 1А.

И все потому, что, когда я учился в колледже, я работал над проектом на SS Лебедь, который является очень хорошо известной катаклизмической переменной.

Что такое катаклизмическая переменная? Это красный гигант, и у него есть партнер звезда, двойная звезда-компаньон, называемая белым карликом, и на самом деле, большинство звезд в галактике находятся в кратных звездных системах, так что это довольно нормально найти двойную звездную систему.

Итак, в катаклизмической переменной у вас есть этот красный гигант и этот белый карлик, и белый карлик находится достаточно близко к красному гиганту, чтобы крадет массу у красного гиганта.

Он не знает, чему принадлежит эта масса, и он берет ее и превращается в этот диск, который вращается вокруг белого карлика, и есть точка, в которой в диске слишком много массы, он становится нестабильным, все падает на белого карлика и яркость белого карлика внезапно.

И поскольку мы знаем, какова эта масса, существует математическая физическая зависимость между массой этого диска.

Вы тогда знаете, как это ярко. У вас есть E, равное mc в квадрате, так что вы знаете, сколько массы превратится в энергию, и тогда вы можете вычислить, как далеко это находится.

ЭРИК: И это уводит нас еще дальше по лестнице расстояний, потому что эти объекты такие яркие, что мы можем видеть их очень далеко и можем измерять большие расстояния.

ДЖАНИН: Ага. Да, и на самом деле именно так мы получили наше первое расстояние до галактики Андромеды от Эдвина Хаббла, о котором вы, возможно, слышали из-за определенного телескопа. Был человек, в честь которого это названо.

Итак, Эдвин Хаббл в 1924 году использовал переменные цефеиды, которые, как утверждала Генриетта Свон-Левитт, могли бы вычислить, как далеко находится туманность Андромеды, потому что в тот момент они не знали, что галактики есть галактики.

Но он использовал его, чтобы доказать, что он не находится внутри Млечного Пути, и его число составляло около 900 000 световых лет. Он использовал 12 цефеид, чтобы выяснить это. Сейчас мы думаем, что это примерно 2,537 миллиона световых лет, но.

ЭРИК: В общем, не так уж и плохо для телескопов 100-летней давности.

ДЖАНИН: Это астрономия, да? Так что это довольно близко.

ЭРИК: Хорошо, мы можем использовать эти методы для оценки расстояний до других галактик, составляющих Вселенную, и теперь мы в конце нашего путешествия. Как далеко находится край Вселенной?

ДЖАНИН: Это сложнее. У Вселенной нет края, по крайней мере, того, о котором мы знаем, и людей, пытающихся понять это, на самом деле называют космологами.

Итак, есть люди, которые изучают, какова форма Вселенной, насколько она велика, как она образовалась и все такое. Но мы можем говорить о краю видимой вселенной или о том, как далеко назад во времени мы можем заглянуть.

Мы говорили об этом ограничении времени и о том, сколько времени потребуется свету от солнца, чтобы добраться до земли, и о том, как мы не узнаем в течение восьми минут. Ну, это относится ко всему, что мы видим в космосе, а это значит, что взгляд в космос — это, по сути, машина времени, верно?

Мы оглядываемся назад во времени, чем дальше мы уходим, потому что свету требуется время, чтобы дойти до нас.

Самая дальняя точка, которую мы можем видеть, находится на расстоянии около 46,5 миллиардов световых лет, что безумно, но это также означает, что вы можете заглянуть в прошлое и попытаться выяснить, как образовалась Вселенная, что, опять же, является тем, чем занимаются космологи.

ЭРИК: Что ж, Джанин, большое спасибо, что рассказала нам, как далеко все во вселенной.

ДЖАНИН: Добро пожаловать.

ЭРИК: Вы можете узнать больше о структуре Вселенной, настроившись на одно из наших шоу виртуального планетария, не выходя из собственного дома. Посетите mos.org/mosathome, чтобы ознакомиться с нашим расписанием.

До следующего раза, продолжайте задавать вопросы.

Музыкальная тема Дестина Хейлмана

Последствия закона Хаббла: расширяющаяся Вселенная

Версия для печати

Дополнительное чтение с сайта www.astronomynotes.com

• Вселенная однородна в больших масштабах: нет центра расширения в трехмерном пространстве

Как и законы Кеплера, закон Хаббла является эмпирическим законом. Хаббл обнаружил взаимосвязь между двумя измеримыми свойствами галактик: их скоростями и расстояниями. Однако, учитывая эту взаимосвязь, это, естественно, приводит к нескольким вопросам. Эти вопросы:

• Какова причина этих отношений?
• Почему более далекие галактики должны иметь большие скорости?

На предыдущей странице мы приписали скорости галактик и соотношение между их скоростями и расстояниями взрыву. Поскольку все осколки взрыва возникли в одном и том же месте, более удаленные должны двигаться быстрее, чтобы пройти дальше всех за одно и то же время. Это приемлемая аналогия, но она не совершенна. Однако это помогает нам понять, что Вселенная должна расширяться. Наша лучшая интерпретация взаимосвязи, обнаруженной Хабблом, состоит в том, что она подразумевает, что пространство между галактиками расширяется.

Давайте рассмотрим эту идею расширяющейся Вселенной немного подробнее. Если все объекты движутся наружу с постоянной скоростью, границы, определяемые самыми удаленными объектами, должны постоянно увеличиваться. Чтобы быть более точным в отношении расширения Вселенной, мы снова прибегаем к аналогиям. Первый: нарисуйте точки на очень длинной резинке. Предполагается, что точки представляют галактики. Если потянуть за резинку, расстояние между точками увеличится. Если начальное расстояние между точками равно 1 см (точка B находится на расстоянии 1 см от точки A, точка C — на расстоянии 2 см, а точка D — на расстоянии 3 см) и вы потяните за резинку так, что точки теперь будут равны 2 см, то от точки А точка В будет на расстоянии 2 см, точка С будет на расстоянии 4 см, а точка D будет на расстоянии 6 см. Точка C переместится в два раза дальше от точки A за то же время, что и точка B, а точка D переместится в три раза дальше от точки A за то же время, что и точка B. Следовательно, с точки зрения точки А, более удаленные точки будут двигаться быстрее, чем более близкие (помните, что скорость объекта равна пройденному расстоянию, деленному на время, необходимое для прохождения этого расстояния). Если бы мы повторили предыдущий эксперимент, но измерили расстояния между точками с точки зрения точки B, мы бы обнаружили, что точка B сделала бы тот же вывод, что и точка A. То есть все точки кажутся удаляющимися. от точки B, и казалось бы, что более дальние точки движутся быстрее.

Резиновая лента/точечный аналог расширяющейся вселенной. В примере начального состояния галактики выглядят как точки вдоль резиновой ленты. Синие и желтые точки равноудалены от исходной точки, как и белые и розовые точки, хотя и в противоположных направлениях. Оранжевая точка находится между белой и синей точками и ближе к исходной точке. Зеленая точка находится между желтой и розовой точками и дальше от исходной точки.

Предоставлено: Департамент астрономии и астрофизики штата Пенсильвания

Резиновая лента/точечный аналог расширяющейся вселенной. Расширение Вселенной, когда она удваивается в размерах, приводит к тому, что все точки появляются в два раза дальше, чем когда-то, с точки зрения исходной точки. Это означает, что белые и розовые точки, по-видимому, сместились намного дальше от исходной точки по сравнению с синими и желтыми точками в противоположных направлениях от исходной точки. Однако, с точки зрения розовой точки, зеленая точка не сильно двигалась по сравнению с белой точкой.

Авторы и права: Департамент астрономии и астрофизики штата Пенсильвания

Аналогия на рисунке выше позволяет нам сделать несколько выводов о Вселенной.

1. На самом деле галактики не удаляются друг от друга в пространстве. Вместо этого происходит расширение пространства между ними (подобно тому, как расширяется резинка, отделяющая закрепленные на ней точки друг от друга). По мере расширения Вселенной галактики удаляются друг от друга, и кажущаяся скорость будет казаться большей для более удаленных галактик.
2. Земля и Млечный Путь не отличаются особым видением того, что все галактики кажутся удаляющимися от нас. Если бы мы были в другой галактике, мы бы также увидели, что все другие галактики удаляются от нас из-за этого расширения.

Следующие две аналогии аналогичны аналогии с резиновой лентой и точкой, но мы собираемся мыслить в большем количестве измерений, поскольку мы знаем, что галактики не ограничены нахождением вдоль одной линии измерения. Вместо линии изобразите тесто для хлеба с изюмом. Внутри теста весь изюм отделяется друг от друга. По мере подъема теста во время выпечки все изюминки будут отдаляться друг от друга. Допустим, размер теста увеличился вдвое. Расстояние между всеми изюминками удвоится, и, как и в случае с точками на резинке, более удаленные изюминки будут двигаться быстрее. Это хорошо видно на анимированном изображении миссии НАСА WMAP, приведенном ниже.

Рисунок 10.6: Анимированное изображение, показывающее подъем буханки теста для хлеба с изюмом. Эта анимация содержит ту же идею, что и на рис. 10.5, но расширена до трех пространственных измерений вместо одного. Изюм в тесте подобен точкам на резинке или галактикам во Вселенной. По мере того, как тесто расширяется, расстояние между изюминками увеличивается, точно так же, как расстояние между галактиками в нашей Вселенной.

Авторы и права: NASA / WMAP

Обе аналогии (резинка и хлеб с изюмом) должны позволить вам представить себе, что каждая галактика (или точка, или изюм) увидит, как все другие галактики удаляются, если пространство между ними расширяется. Мы используем еще одну аналогию, чтобы попытаться объяснить математику расширения Вселенной и ответить на другой общий вопрос, возникающий в космологии:

• Почему мы не можем увидеть центр расширения?

Представьте вселенную, состоящую из только поверхности воздушного шара. Все галактики и звезды в галактиках закреплены на поверхности воздушного шара. Наблюдатели не могут воспринимать область внутри воздушного шара или область вне воздушного шара, они (и свет) вынуждены путешествовать только по поверхности. В этой аналогии по мере того, как воздушный шар надувается, галактики на его поверхности будут удаляться друг от друга. Как и в аналогиях с резинкой и изюмом, если вы измерите расстояние между галактиками до и после надувания воздушного шара, вы сможете показать, что более далекие галактики будут двигаться быстрее, в точности как закон Хаббла в нашей теории. вселенная (и как эксперименты с резинкой и буханкой изюма). Опять же, каждая галактика будет наблюдать один и тот же эффект, и ни одна галактика не находится в особом месте. Если вы спросите, где находится центр расширения, он находится внутри воздушного шара. Это означает, что никакое место на поверхности воздушного шара (вселенная, по мнению жителей на поверхности воздушного шара) не может быть идентифицировано как «центр» вселенной.

Мы используем эту аналогию, чтобы ответить на вопрос:

• Где находится центр нашей вселенной?

Идея состоит в том, что мы живем во вселенной с тремя пространственными измерениями, которые мы можем воспринимать, но существуют «дополнительные» измерения (может быть, одно, а может быть, и больше одного), которые содержат центр расширения. Подобно двумерным существам, населяющим поверхность вселенной воздушного шара, мы не можем наблюдать центр нашей вселенной. Мы можем сказать, что он расширяется, но мы не можем определить место в нашем трехмерном пространстве, которое является центром расширения.

До этого момента мы описывали красное смещение света как доплеровское смещение. Однако теперь, когда мы понимаем, что Вселенная расширяется, нам нужно пересмотреть это описание. Мы понимаем космологическое красное смещение галактик следующим образом. Представьте себе фотон, испущенный далекой галактикой по направлению к Земле. Этот фотон имеет определенную длину волны. Однако во время путешествия между далекой галактикой и Землей пространство между этой галактикой и Землей расширилось. Расширение пространства приводит к тому, что длина волны фотона увеличивается, поэтому, когда он достигает Земли, его длина волны больше, чем при выходе. Математически это ведет себя точно так же, как если бы фотон был доплеровски смещен. Итак, мы интерпретируем галактики как движущиеся в пространстве от нас. Однако правильная интерпретация состоит в том, что галактики находятся в определенных положениях в пространстве, а пространство между ними расширяется. Ниже представлена ​​анимация, иллюстрирующая космологическое красное смещение с использованием аналогии с воздушным шаром для расширения пространства.

Иллюстрация космологического красного смещения с использованием аналогии с воздушным шаром. В этой анимации волна, нарисованная на воздушном шаре, представляет собой волну света с определенной длиной волны. По мере расширения воздушного шара длина волны увеличивается. Мы считаем, что именно так ведет себя свет во Вселенной. По мере расширения Вселенной расстояние между гребнями световой волны также увеличивается, что приводит к увеличению длины волны. Свет с большей длиной волны краснее, поэтому свет кажется смещенным в красную сторону из-за расширения.

Предоставлено: Департамент астрономии и астрофизики штата Пенсильвания

Означает ли это, что Солнечная система расширяется? А Млечный Путь? Станет ли Плутон все дальше и дальше от Солнца по мере расширения Вселенной? Ответ отрицательный, и немного сложно понять, почему именно. Снова рассмотрим стабильную звезду Главной последовательности. Мы обсуждали, как для того, чтобы звезда избежала коллапса, направленная наружу сила радиационного давления, создаваемая ядерным синтезом в ядре, уравновешивала направленное внутрь гравитационное притяжение.