Содержание
Насколько велика Вселенная? Можно ли вообще ответить на этот вопрос?
Вселенная представляет собой огромное пространство, заполненное туманностями, звездными скоплениями, отдельными звездами, планетами с их спутниками, различными кометами, астероидами и, в конце концов, вакуумом, а также темной материей. Она настолько огромна, что полнота ответа на вопрос о том, насколько именно она большая, к сожалению, ограничена нашим нынешним уровнем развития технологий. Как бы там ни было, понимание размера Вселенной подразумевает понимание нескольких ключевых факторов. Одним из этих факторов, например, является понимание того, как ведет себя космос, а также понимание того, что то, что мы видим, является всего лишь так называемой «наблюдаемой Вселенной». Выяснить истинные размеры Вселенной мы не можем, потому что наши возможности не позволяют нам увидеть ее «край».
Рулеткой ее точно не измерить
Все, что находится за пределами видимой Вселенной, по-прежнему остается для нас загадкой и является предметом бесконечных споров и дискуссий среди астрофизиков всех мастей.
Сегодня постараемся простыми словами объяснить то, к чему пришла наука к настоящему моменту времени в вопросах понимания размеров Вселенной, и постараемся ответить на один из самых животрепещущих и сложных вопросов о ее природе. Но сперва давайте рассмотрим базовые принципы того, как ученые определяют расстояние в космосе.
Содержание
- 1 Как определяют расстояние в космосе
- 2 Что такое параллакс
- 3 Какого размера Вселенная?
- 4 Сколько лет Вселенной?
Как определяют расстояние в космосе
Самым простейшим методом определения расстояния в космосе является использование света. Однако если учесть то, каким образом свет распространяется в пространстве, то следует понимать, что те объекты, которые мы видим с Земли, в космосе необязательно будут выглядеть так же. Ведь для того, чтобы свет от далеких объектов достиг нашей планеты может потребоваться десятки, сотни, тысячи, а то и десятки тысяч лет.
Скорость света составляет 300 000 километров в секунду, но для космоса, для такого гигантского пространства, понятие секунды не является идеальной величиной для измерения.
В астрономии принято для определения расстояния использовать термин световой год. Один световой год приблизительно эквивалентен расстоянию 9 460 730 472 580 800 метров и дает нам не только представление о расстоянии, но также может говорить о том, какое количество времени потребуется свету объекта для того, чтобы нас достигнуть.
Такое расстояние сложно себе даже представить
Самым простым примером разницы времени и расстояний является свет Солнца. Среднее расстояние от нас до Солнца составляет около 150 000 000 километров. Допустим, у вас есть подходящий телескоп и защита для глаз, позволяющие вести за Солнцем наблюдение. Суть в том, что все, что вы будете видеть в телескоп, на самом деле происходило с Солнцем 8 минут назад (именно столько требуется свету, чтобы добрать до Земли). Свет Проксимы Центавра? Дойдет до нас только через четыре года. Или взять хотя бы такую крупную звезду, как Бетельгейзе, собирающуюся стать в скором времени сверхновой.
Даже если бы это событие произошло сейчас, мы узнали бы о нем не раньше середины 27 века!
Если вам интересны новости науки и технологий, подпишитесь на нас в Яндекс.Дзен, чтобы не пропускать новые материалы!
Свет и его свойства сыграли ключевую роль в понимании нами того, насколько огромна Вселенная. В настоящий момент наши возможности позволяют нам заглянуть примерно на 46 миллиардов световых лет наблюдаемой Вселенной. Каким образом? Все благодаря используемой физиками и астрономами шкалы расстояний в астрономии.
Что такое параллакс
Телескопы являются лишь одним из инструментов для измерения космических расстояний и не всегда способны справится с этим заданием: чем дальше находится объект, расстояние до которого мы хотим измерить, тем сложнее это сделать. Радиотелескопы отлично подходят для измерения расстояний и проведения наблюдений лишь внутри нашей Солнечной системы. Они действительно способны предоставлять очень точные данные. Но стоит только направить их взор за пределы Солнечной системы, как их эффективность резко сокращается.
Ввиду всех этих проблем астрономы решили прибегнуть к другому методу измерения расстояния — параллаксу.
Что такое параллакс? Объясним на простом примере. Закройте сначала один глаз и посмотрите на какой-нибудь объект, а затем закройте другой глаз и посмотрите снова на этот же объект. Заметили небольшое «изменение в положении» объекта? Этот «сдвиг» и называется параллаксом, методом, который используется для определения расстояния в космосе. Метод отлично работает, когда речь идет о звездах, находящихся в относительной близости от нас — примерно в радиусе 100 световых лет. Но когда и этот метод становится малоэффективным, ученые прибегают к другим.
Следующий способ определения расстояния носит название «метод главной последовательности». Он основан на наших знаниях о том, как со временем изменяются звезды определенных размеров. Сначала ученые определяют яркость и цвет звезды, а затем сравнивают показатели с ближайшими звездами, обладающими аналогичными характеристиками, выводя на основе этих данных приблизительное расстояние.
Опять же, данный метод весьма ограничен и работает только в случае звезд, принадлежащих нашей галактике, или тех, которые находятся в радиусе 100 000 световых лет.
Чтобы заглянуть дальше, астрономы полагаются на метод измерения по цефеидам. Он основан на открытии американского астронома Генриетты Суон Ливитт, которая обнаружила зависимость между периодом изменения блеска и светимостью звезды. Благодаря этому методы многие астрономы смогли высчитать расстояния до звезд не только внутри нашей галактики, но и за ее пределами. В некоторых случаях речь идет о дистанциях в 10 миллионов световых лет.
Какого размера Вселенная?
И все же к вопросу размеров Вселенной мы пока не приблизились ни на йоту. Поэтому переходим к ультимативному средству измерений, основанному на принципе красного сдвига (или красного смещения). Суть красного смещения аналогична принципу работы эффекта Доплера. Вспомните железнодорожный переезд. Никогда не замечали, как звучание гудка поезда изменяется в зависимости от расстояния, усиливаясь при приближении и становясь тише при отдалении?
Свет работает примерно так же.
Посмотрите на спектрограмму выше, видите черные линии? Они указывают на границы поглощения цвета химическими элементами, находящимися внутри и вокруг источника света. Чем больше сдвинуты линии к красной части спектра — тем дальше объект находится от нас. На основе подобных спектрограмм ученые также определяют то, насколько быстро объект двигается от нас.
Так мы плавно и подобрались к нашему ответу. Большая часть света, подвергшаяся красному смещению, принадлежит галактикам, возраст которых около 13,8 миллиарда лет.
Сколько лет Вселенной?
Если после прочтенного вы пришли к выводу, что радиус наблюдаемой нами Вселенной составляет всего 13,8 миллиарда световых лет, то вы не учли одной важной детали. Все дело в том, что на протяжении этих 13,8 миллиарда лет после Большого взрыва Вселенная продолжала расширяться. Другими словами, это означает, что реальный размер нашей Вселенной гораздо больше, чем указано в наших изначальных измерениях.
Поэтому для того, чтобы узнать реальный размер Вселенной, необходимо принять во внимание еще один показатель, а именно то, насколько быстро Вселенная расширялась со времен Большого взрыва.
Физики говорят, что наконец смогли вывести нужные цифры и уверены в том, что радиус видимой Вселенной в настоящий момент составляет около 46,5 миллиарда световых лет.
Правда, стоит также отметить, что эти подсчеты основаны лишь на том, что мы сами можем видеть. Точнее способны разглядеть в глубине космоса. Эти подсчеты не отвечают на вопрос истинного размера Вселенной. Кроме того, ученых заставляет задуматься некоторое несоответствие, согласно которому более удаленные от нас галактики в нашей Вселенной слишком хорошо сформированы, чтобы можно было считать, что они появились сразу после Большого взрыва. Для такого уровня развития потребовалось гораздо больше времени.
Необъяснимый факт, указанный выше, открывает целый ряд новых проблем. Некоторые ученые постарались посчитать, сколько потребовалось бы времени для развития этих полностью сформированных галактик. Например, оксфордские ученые пришли к выводу, что размер всей Вселенной может быть в 250 раз больше наблюдаемой.
Мы действительно способны измерить расстояния до объектов в пределах наблюдаемой Вселенной, но то, что находится за этой гранью, нам не известно.
Конечно же, никто не говорит, что ученые не пытаются это выяснить, но, как уже говорилось выше, наши возможности ограничены нашим уровнем технического прогресса. Кроме того, не стоит также сразу отбрасывать предположение о том, что ученые, возможно, так никогда и не узнают настоящих размеров всей Вселенной, если учесть все факторы, находящиеся на пути решения этого вопроса.
Насколько велика наша Вселенная? / Статьи
Начиная с того мгновения, когда произошел Большой взрыв, космос беспрерывно расширяется. Но насколько быстро? Ответ на этот вопрос может показать, что все наши прежние представления о физике были ошибочными.
Вселенная большая. Считается, что самые отдаленные из видимых её областей находятся на расстоянии 46 млрд световых лет. В диаметре это 870 секстиллионов, или 870 000000000000000000 км. Это наиболее вероятное предположение, на самом же деле никто не знает, насколько Вселенная большая.
Мы можем видеть Вселенную лишь до тех областей, куда дошел свет (или, если точнее, микроволновое излучение от Большого взрыва) со времен её зарождения.
Это произошло около 13,8 млрд лет назад. Но в силу того, что мы не знаем точный возраст Вселенной, очень сложно точно определить, насколько далеко она может расшириться за пределы той области, которую мы не видим.
Постоянная Хаббла
Установить, насколько быстро Вселенная расширяется, ученые пытаются с помощью постоянной Хаббла. «Это коэффициент того, насколько быстро расширяется Вселенная, — объясняет Уэнди Фридман, астрофизик из Чикагского университета. — Постоянная Хаббла устанавливает масштабы Вселенной, ее размеры и возраст».
Наша галактика, Млечный Путь
Таким образом, Вселенная представляется неким разрывающимся шаром. По мере того, как звезды и галактики, словно точки на поверхности шара, отдаляются друг от друга все быстрее, увеличивается и расстояние между ними. Чем дальше другие галактики находятся от нас, тем быстрее они отдаляются.
Но, к сожалению, чем больше астрономы измеряют это число, тем больше последующие исследования опровергают прогнозы, построенные на нашем понимании Вселенной.
Один из способов измерения постоянной Хаббла дает определенные данные. Альтернативные же подсчеты, основанные на нашем понимании других параметров Вселенной, говорят о другом. Получается, что либо подсчеты неверны, либо же мы как-то не так представляем устройство Вселенной.
Но сейчас ученые считают, что они близки к разгадке, во многом благодаря новым экспериментам и наблюдениям, призванным установить, чем на самом деле является постоянная Хаббла.
«Перед космологами инженерный вызов: как измерить это число с максимальной точностью?» — поясняет Рейчел Битон, астроном из Принстонского университета. По ее словам, для этого нужны не только данные, но и перепроверка измерений, сделанных разными способами. С точки зрения ученых, эта задача сродни пазлу, нежели загадке в стиле Агаты Кристи.
Первые измерения в 1929 году сделал астроном, чье имя эта постоянная носит. Спустя 100 лет после того, как Эдвин Хаббл сделал первые подсчеты, это значение несколько раз менялось в сторону уменьшения.
Сегодня постоянную определяют в пределах 67–74 (км/с)/Мпк.
Отчасти проблема в том, что постоянная Хаббла может отличаться в зависимости от того, как ее измеряют.
Есть два основных способа:
— один определяет, насколько быстро ближайшие галактики отдаляются от нас;
— для второго используется реликтовое излучение (космическое сверхвысокочастотное фоновое излучение) — первое излучение, появившееся после Большого взрыва.
Мы все еще можем видеть это излучение сегодня, но в силу того, что далекие области Вселенной отдаляются, мы видим излучение как радиоволны, которые были обнаружены случайно в 1960-х годах. По ним можно составить поверхностное представление о том, как выглядела Вселенная.
Реликтовое излучение и звезды Цефеиды
Но есть проблема. Когда астрономы пытаются определить значение постоянной Хаббла по тому, как ближайшие галактики отдаляются от нас, результаты получаются разными. По словам Уэнди Фридмана, если стандартная модель верна, тогда два значения постоянной (то, что мы наблюдаем сегодня, и значение, полученное во время ранних наблюдений) должны совпадать.
Но это не так.
Когда спутник Planck Европейского космического агентства (ESA) измерил расхождения в реликтовом излучении сначала в 2014-м, а затем в 2018 году, получилось, что постоянная Хаббла равна 67,4 (км/с)/Мпк. Это примерно на 9% меньше тех данных, которые астрономы получили при измерении ближайших галактик.
Крошечные возмущения в ранней Вселенной можно увидеть в колебаниях самого старого источника света во Вселенной — космического микроволнового фона
Дальнейшие измерения реликтового излучения, которые проводились с помощью Атакамского космологического телескопа, подтвердили значение, полученное с помощью телескопа Планка.
Уэнди Фридман вместе с коллегами опирается в своих подсчетах на информацию о пульсирующих переменных звездах Цефеидах, который были открыты 100 лет назад астрономом Генриеттой Левит. Определяя, насколько яркими звезды кажутся нам с Земли, и используя затемнение света как функцию расстояния, исследователи нашли точный способ установить расстояние до звезд.
Если Вселенная расширяется быстрее, чем это считается, она может быть моложе 13,8 млрд лет
В 2019 году еще одна команда астрономов с помощью космического телескопа Хаббл определила значение постоянной как 74 (км/с)/Мпк, здесь также использовались данные о Цефеидах. В дальнейшем с помощью альтернативного способа, включающего такой фактор, как свет, который исходит от квазаров, значение постоянной было определено как 73 (км/с)/Мпк.
Если эти подсчеты верны, тогда Вселенная может расширяться намного быстрее, чем предполагает Стандартная космологическая модель. Это бы означало, что использующуюся модель нужно пересмотреть, а вместе с ней — и все наши лучшие описания фундаментальной природы Вселенной. Пока результаты не ясны, но если они подтвердятся, последствия могут быть весьма значительными.
«Это может означать, что стандартной модели чего-то недостает. Пока еще мы не знаем причину, почему это происходит», — объясняет Фридман.
Если в Стандартной модели есть просчет, тогда все наши представления о Вселенной — о темной материи, темной энергии и излучении — не вполне верны.
И если Вселенная действительно расширяется быстрее, чем это считалось прежде, она может быть намного моложе 13,8 млрд лет — возраста, который ей приписывают сейчас.
Альтернативное объяснение расхождений в подсчетах постоянной Хаббла состоит в том, что та часть Вселенной, где находится Земля, как-то отличается от остальной Вселенной, и это отличие влияет на подсчеты. «Это далеко не точная аналогия, но можно представить, как скорость автомобиля меняется, когда вы едите с горы или под гору, даже если давите на газ с одинаковой силой», — объясняет Рейчел Битон.
Астрономы считают, что сейчас они близки к разгадке того, чем на самом деле является постоянная Хаббла. «В течение ближайших 2-3 лет мы решим эту задачу. Сейчас появляется множество открытий и возможностей, которых не было прежде. Думаю, скоро мы доберемся до сути», — резюмирует Уэнди Фридман.
При подготовке статьи использовались материалы иностранных СМИ
Читайте Фразу в Google News (нажать «Подписаться»)
Подписывайтесь на каналы Фразы в Telegram, Youtube, Twitter, Instagram, Facebook
27 фактов, которые показывают, насколько сложна и огромна Вселенная
Факты и фотографии, приоткрывающие тайны Вселенной
У вас был тяжелый день? Не беспокойтесь об этом! Вы всего лишь атом в молекуле, в песчинке на крошечном пляже на огромном континенте космоса! Вы маленький, а Вселенная безразлична и холодна ко всем нам!
Итак, это вы:
1.
Это вы с высоты около 9 000 метров. Здесь летают пассажирские самолеты.
Неплохо!
2. Это вы с высоты 30 километров:
Все еще классно!
3. Некто спрыгнул из воздушного шара с такой высоты еще в 1960 году:
16 августа 1960 года полковник Джозеф Киттингер делает шаг в бездну с гондолы, влекомой стратостатом, на высоте более 31.3 км над Землей.
Смотрите такжеФакты о высоте и скорости полетов самолетов разных авиакомпаний
После 4.5 минут свободного падения на скорости до 988 км/ч в условиях -34 градусов Цельсия окружающей среды смельчак из ВВС США раскрыл парашют на высоте 5 500 метров.
4. Это вы с высоты около 320 км или на высоте, более чем в 10 раз превышающей рекордный прыжок человека. Именно здесь можно встретиться с МКС:
5. Первый человек, достигший этой высоты, – это Юрий Гагарин, сделал он это в такой вот компактной сфере:
6.
Но первой свой высокий полет в космос совершила собака
7. А вот это Земля с Луны, примерно в 370 тыс. км от нас:
8. Самое далекое путешествие человека в истории прошло на расстоянии в 400 тыс. км от дома в один конец, когда космический корабль Apollo 13 совершил свое рискованное путешествие на обратную сторону Луны:
Фото было сделано экипажем
9. А это наша обитаемая планета с поверхности Марса. Бледная точка находится на расстоянии более 48 миллионов километров. Это следующее место, куда в теории люди попытаются добраться в нашей Солнечной системе:
Каждая миссия «Аполлона» занимала около десяти дней. Полет на Марс займет не менее шести месяцев, и, скорее всего, это будет путешествие в один конец.
10. Солнце оттуда выглядит намного меньше:
11. Но днем на Марсе практически так же хорошо, как на нашей Земле. Если бы на Марсе были города… Жаль, там нет кислорода и мы пока не полетим туда.
Но в целом, кажется, неплохо!
12. Движемся дальше. Вот Земля, если посмотреть на нее из-за Сатурна. Видите?
13. Ракурс примерно вот такой:
14. Давайте немного увеличим масштаб и обратим внимание вот на эту звездочку:
Здесь мы все живем, а вокруг – бескрайний космос!
15. Идем дальше. Вот как выглядит Земля на задворках Солнечной системы – на расстоянии 6 млрд км. Съемка проводилась в районе Плутона.
С огромного расстояния высокочувствительной фотокамеры «Вояджера» Земля представляет собой всего лишь светящуюся точку, даже меньше пикселя на компьютере. Точнее, 0,12 пикселя.
16. Очевидно, что 6 миллиардов километров – это очень-очень далеко. Но вы также должны учитывать, что Земля – небольшая планета:
17. Вот как выглядел бы Юпитер с Земли, если бы он был так же близок, как и Луна
18. По сравнению с Солнцем, однако, даже Юпитер выглядит как коротышка
19.
Не то чтобы Солнцу было чем похвастаться:
И это только начало самого интересного!
20. Но даже гигантская звезда «Пистолет» меркнет перед светилом Бетельгейзе
21. Который, в свою очередь, выглядит ребенком перед самым крупным из известных астрономам светил…
Ох, ох, ох!!!
22. Но какими бы массивными ни были звезды, они микроскопичны по сравнению с галактиками, в которых «живут». Это наша галактика, Млечный Путь:
23. Да, кстати, ближайшая к нам галактика, в которой тоже находятся миллиарды звезд, летит по направлению к нам и в конце концов столкнется с Млечным Путем. В NASA предполагают, как с Земли будет выглядеть столкновение вселенского масштаба:
Событие должно произойти через четыре миллиарда лет. Это кажется очень долгим сроком… Но кто знает, может быть, наши потомки расселятся по галактике и увидят это событие?
Смотрите также
20 фактов о времени, которые нужно осознать
24.
Да, в каждой галактике есть миллионы, миллиарды, а иногда и триллионы звезд. Но сколько там галактик? В 2003 году американские исследователи космического пространства направили телескоп Хаббла на крошечное темное пятно в ночном небе:
25. За три месяца они сделали сотни снимков с экспозицией более 11 дней. Получилась следующая картина:
Как, жизненные неурядицы не начинают казаться неважными на фоне таких перспектив?
26. В этом крошечном темном небе находится более 10 000 галактик, многие из которых были еще больше нашей:
Из-за того что расположены они очень далеко, а также благодаря тому, что свет движется с ограниченной скоростью, фото показывает, какими были эти галактики более 12 миллиардов лет назад. Многие из них больше не существуют.
27. И это лишь те галактики, которые люди смогли вычислить и нанести на карту. По оценкам, в наблюдаемой нами Вселенной насчитывается более 150 миллиардов гигантских скоплений звезд, об истинных размерах которых мы до сих пор даже не догадываемся!
Вы все еще считаете человечество пупом Вселенной? Есть веские предположения, что Она о нас даже не знает.
..
Насколько велика Вселенная? (с картинками)
`;
С. Митра
Согласно данным новейшего телескопа дальнего космоса WMAP, текущая наблюдаемая Вселенная имеет ширину 156 миллиардов световых лет с погрешностью менее 1%. Сначала может показаться невероятным, что ученые так уверены в этом астрономическом измерении, но эта цифра была сужена годами исследований и определена несколькими путями исследования. Кроме того, размер Вселенной тесно зависит от ее формы, возраста, ускорения и общей массы, поэтому мы очень уверены в этой цифре.
В 2003 году микроволновый зонд анизотропии Уилкинсона отправил ученым достаточно данных, чтобы опубликовать чрезвычайно надежные исследования, в которых были установлены два ранее неизвестных факта. Они определили, что Вселенная плоская, а это означает, что стандартная евклидова геометрия действительна в самом большом масштабе. Это можно понять, сказав, что прямая линия более или менее остается прямой до тех пор, пока она простирается. Они также установили, что оно ускоряется со все возрастающей скоростью, а это означает, что все массы разлетаются друг от друга со все большей и большей скоростью.
Данные WMAP измерили температуру, называемую космическим микроволновым фоновым излучением, нашей наблюдаемой Вселенной с беспрецедентной точностью, с погрешностью в 5%. Из этих фактов мы можем вывести такие цифры, как его радиус.
Помните, что размер вселенной не является постоянной величиной и не является размером объекта, как мы его традиционно понимаем. На самом деле это размер самого пространства, и по мере расширения пространства расширяется и пространство между планетами, звездами и галактиками. В начале Вселенной Большой Взрыв создал пространство и время такими, какими мы их знаем.
С этого момента пространство расширялось, поэтому мы определяем его размер, измеряя, как далеко мог пройти свет после Большого взрыва, а также насколько растянулось само пространство.
Возможно, мы можем смотреть или общаться только до края, или «горизонта», того места, где свет путешествовал с начала Вселенной. Размер вселенной означает пространство, в котором мы можем взаимодействовать с чем угодно. Мы никогда не узнаем, что находится «за» этой границей, потому что нет никакого способа узнать об этом что-либо, поэтому нелогично рассматривать область «вне» нашей вселенной или задаваться вопросом, во что мы расширяемся «куда».
Независимую меру размера нашей Вселенной можно дать, изучая самые старые звезды. Возраст самых старых обнаруженных нами звезд, вероятно, составляет от 11 до 14 миллиардов световых лет. Если бы у нас были звезды старше самого большого расстояния, которое мог пройти свет, мы бы знали, что в наших расчетах что-то не так; им не хватило бы времени для развития.
Эп.
79: Насколько велика Вселенная?
Мы готовы завершить нашу трилогию открытий о Вселенной. Мы узнали, что у него нет центра; скорее везде его центр и нигде. Мы обнаружили, что Вселенная кажется плоской. Он не открытый, он не закрытый, он плоский. Если это не имеет никакого смысла, вам нужно послушать предыдущее шоу, потому что я никак не могу дать этому объяснение.
Итак, теперь мы хотим знать: насколько он велик? Это продолжается вечно или имеет конечный масштаб? Сколько из этого мы можем увидеть?
Расшифровка: Насколько велика Вселенная?
Загрузить стенограмму
Фрейзер Кейн: Мы готовы завершить нашу трилогию открытий о Вселенной. Мы узнали, что у него нет центра; скорее везде его центр и нигде.
Мы обнаружили, что Вселенная кажется плоской. Он не открытый, он не закрытый, он плоский. Если это не имеет никакого смысла, вам нужно послушать предыдущее шоу, потому что я никак не могу дать этому объяснение.
Итак, теперь мы хотим знать: «Насколько это велико?» Продолжается ли оно вечно или имеет конечный масштаб? Сколько из этого мы можем увидеть? Хорошо, я знаю, что вы хотели определить некоторые термины, прежде чем мы начнем, так почему бы нам не разобрать это.
Доктор Памела Гей: Первое, что мы должны выяснить, это то, что такое видимая вселенная. Та часть Вселенной, которую мы можем видеть, вероятно, является лишь очень небольшой частью всей Вселенной. Но это не то, что мы думаем.
Фрейзер: Ну, что я думаю?
Памела: Итак, большинство людей спрашивают: «Как вы думаете, как далеко мы можем видеть?» Они отвечают, что если они слушали шоу достаточно долго, то Вселенной 13,7 миллиардов лет, и поэтому означает, что мы, вероятно, можем видеть вещи, которые находятся на расстоянии 13,7 миллиардов световых лет.
Фрейзер: Во всех направлениях?
Памела: Во всех направлениях. И это своего рода правильная логика, но проблема в том, что Вселенная расширяется. Мы можем видеть объекты со светом, прошедшим путь длиной 13,7 миллиарда световых лет, но проблема заключается в том, что отправная точка фотона, прошедшего путь 13,7 миллиарда лет, не находится на расстоянии 13,7 миллиарда световых лет.
Фрейзер: Вы правы. Если бы вы спросили меня, это был бы мой ответ. Но теперь, когда я думаю об этом, все в красных сколах; это все разложено. Так что на самом деле он путешествовал дальше, чем это. Хорошо, кто-то должен был сделать математику.
Памела: Кто-то посчитал. На самом деле, отправная точка для самого дальнего фотона, который мы можем видеть, находится на расстоянии 78 миллиардов световых лет.
Фрейзер: Семьдесят миллиардов световых лет?
Памела: На расстоянии 78 миллиардов световых лет находится начальная точка этого фотона.
Фрейзер: Итак, мы можем видеть вокруг себя сферу радиусом 78 миллиардов световых лет, то есть 156 миллиардов световых лет — пузырь, я думаю, поперек.
Памела: И все потому, что Вселенная расширяется. Свет проходит одно расстояние, но объекты удаляются от нас, поэтому то, что мы на самом деле можем видеть, представляет собой большую сферу, чем та, по которой прошел свет.
Это действительно странно.
Фрейзер: Но подождите минутку. У меня один из тех моментов, когда вопросы возникают быстрее, чем я успеваю их сформулировать. Так что позвольте мне просто использовать это.
Я могу только представить, скажем, у нас есть самое отдаленное, что произошло при Большом Взрыве, и оно удаляется от нас и излучает свет. Мы видим свет, пришедший к нам в момент Большого взрыва, но как мы все еще видим свет, исходящий от него, когда он удаляется на 80 миллиардов световых лет? Помощь.
Памела: Вот как я об этом думаю: представьте, что вы стоите в самом конце движущейся дорожки, которая удаляется от вас. Вы начинаете с отключенной движущейся дорожки. Прямо перед вами кто-то с мешком, полным шариков. Они могут катить шарики немного быстрее, чем движется дорожка.
Итак, вы включаете дорожку и говорите им, чтобы они начали стрелять шариками. Шарики, которые они бросают в вас, должны пройти дальше, чем первоначальное расстояние между вами и этим человеком, но меньше, чем расстояние между вами и этим человеком, когда шарик доберется до вас.
Итак, этот человек продолжает удаляться от вас, и этот шарик, который движется чуть быстрее, чем движется дорожка, в конце концов достигает вас, но со временем ему приходится преодолевать все большее расстояние.
Теперь, если этот человек продолжит катать шарики, вы получите от него непрерывный поток шариков, точно так же, как мы получаем непрерывный поток фотонов от космического микроволнового фона. Но каждый из этих шариков должен путешествовать немного дольше и немного дольше, поскольку Вселенная расширяется.
Фрейзер: И все бы ничего, если бы не проблема ускоренного расширения Вселенной благодаря темной энергии. Так что может быть время, когда этот бедняга, катящий шарики, будет катить шарики, и они просто никогда не доберутся до вас.
Памела: Точно. Одна из проблем, которые у нас есть, заключается в том, что даже игнорирование того факта, что расширение Вселенной ускоряет движущуюся дорожку, как бы ломается, потому что Вселенная не заставляет людей двигаться с постоянной скоростью или заставляет галактики удаляться.
с постоянной скоростью от нас.
Скорее, объекты, которые находятся все дальше и дальше, удаляются все быстрее и быстрее. Таким образом, объекты, прибывающие с больших расстояний, на самом деле должны перемещаться даже больше, чем вы ожидаете от нашей упрощенной движущейся дорожки.
Вместо этого вы можете представить, что у вас есть этот расширяющийся пол, где вы стоите на разных краях плитки, а плитки становятся все больше и больше. Чем больше плиток между вами и человеком, катящим шарики, тем быстрее они должны катить шарики. Таким образом, это становится действительно математически сложным очень быстро.
Фрейзер: Или, может быть, они переходят на более быстро движущиеся дорожки каждые пять минут, верно? Таким образом, у самых дальних людей самые большие проблемы. Какое значение это имеет? Я могу себе представить, когда космологи даже делают свои расчеты, которые мы начали в прошлом эпизоде, говоря только о форме Вселенной.
Математика должна быть довольно тяжелой.
Я читал статьи о том, как астрономы нашли галактику, и мы видим ее такой, какой она была всего через миллиард лет после Большого взрыва. Это значение должно действительно учитываться в их расчетах.
Памела: Что ж, одна из самых сложных вещей — это попытаться сформулировать, что вы подразумеваете под расстоянием. Когда я говорю, что галактика находится на некотором расстоянии, я могу иметь в виду расстояние между тем, где она находилась, и тем, где находилась Земля в момент испускания света. Это очень маленькое расстояние.
Я мог бы говорить о расстоянии, пройденном светом. Это средняя дистанция. Я мог бы говорить о расстоянии между тем, где был объект, когда он излучал свет, и тем, где сейчас находится Земля, которое немного больше.
Я мог бы говорить о расстоянии между тем, где сейчас находится объект, и тем, где сейчас находится Земля, что является наибольшим расстоянием.
Фрейзер: Я получаю эту жалобу от многих людей, когда они читают статьи и мы говорим о чем-то вроде того, что прямо сейчас эта звезда испускает клубы звездного материала.
Он испускает свою внешнюю оболочку.
Но звезда находится на расстоянии 12 000 световых лет. Люди будут жаловаться, не говорите слов прямо сейчас, потому что это произошло на расстоянии 12 000 световых лет. Это просто большая версия, когда, как вы говорите, прямо сейчас есть четыре разных способа поговорить.
Несправедливо выбирать что-то произвольно, и это похоже на то, что мы используем по умолчанию, когда пишем, прямо сейчас для света, каким мы его видим сегодня.
Памела: Ага. Это похоже на то, что если вы посмотрите в этот момент на это место в небе, то увидите именно это.
Фрейзер: Потому что это единственное, что мы можем знать наверняка. Все остальные мы проецируем и прямо сейчас не знаем, что произойдет через 12 000 лет. Наоборот, мы могли бы сказать, что когда мы смотрим на этот объект, это не совсем то, что он делал 12 000 лет назад. Именно это и делал свет 12 000 лет назад.
Таким образом, вам почти необходимо вступить в разговор о космологии с человеком, когда он спорит с вами.
Мы просто по умолчанию считаем, что это то, что мы видим прямо сейчас, и это то, что он делает прямо сейчас. Да, мы знаем, что это происходило в прошлом, но это единственный способ, которым мы можем написать об этом.
Памела: И это становится особенно запутанным, когда мы смотрим на объекты, свет которых падает на нас с двух разных направлений. Представьте, что вы смотрите на квазар, где вы видите свет, который прошел по прямолинейному пути в нашей плоской геометрии Вселенной и пришел прямо к планете Земля.
Фрейзер: Мы также смотрим на искривленное изображение этого квазара, где свет, возможно, направлялся куда-то еще, а затем преломлялся большой галактикой, скоплением галактик или какой-то гравитационной массой, которая линзировала объект и направил свой свет, чтобы прийти к нам с другого пути.
Этот другой путь будет длиннее, поэтому свету потребовалось больше времени, чтобы добраться до нас. Итак, мы видим два разных изображения, ни одного из которых нет сейчас, но мы видим их сейчас.
И мы можем видеть, как галактика что-то делает на прямолинейном изображении, а затем через некоторое время посмотреть, как она снова делает то же самое на изображении с изогнутыми линиями.
Это действительно лажа, когда вы наблюдаете, и что сейчас делает квазар? «Сейчас» имеет слишком много значений.
Фрейзер: Я упоминал, что люди должны оставить еще немного ибупрофина на этой неделе от головной боли на этой неделе. Вернемся тогда. Мы сказали, что наблюдаемая Вселенная имеет диаметр около 156 миллиардов световых лет.
Возникает следующий вопрос: «Какой процент реальной вселенной мы можем видеть?»
Памела: Мы не знаем.
Фрейзер: Хорошо, тогда я думаю, это зависит от обстоятельств. Когда я вижу процент, я думаю, это зависит от того, конечна Вселенная или бесконечна. Так почему бы нам не поговорить об этом, а потом мы сможем вернуться.
Памела: Здесь все космологи просто опускают головы и говорят: «Мы над этим работаем.
У нас есть ограничения. У нас есть идеи, и мы можем никогда не узнать точного ответа».
Фрейзер: Итак, давайте сначала определим бесконечную вселенную. Это означало бы, что куда бы вы ни пошли, в каком бы направлении вы ни посмотрели, в каком бы направлении вы ни путешествовали, это галактика за галактикой; звезда за звездой; темная материя после темной материи. Это черепахи на всем протяжении.
Памела: Это черепахи на всем пути вниз, и вы никогда не сможете перейти от верхней черепахи к нижней черепахе.
Фрейзер: Правильно. И одним из следствий этого является то, что я думаю, что мы говорили о нескольких измерениях. Когда у вас есть бесконечная вселенная, не только все возможно, но и все должно существовать.
Если вы пойдете в одном направлении достаточно далеко, вы столкнетесь с другим Фрейзером и Памелой, сидящими на планете, похожей на Землю, и записывающими подкаст, рассказывающий об этой ситуации.
На самом деле в этом разговоре будет бесконечное количество Фрейзеров и Памел, потому что если это бесконечная вселенная, все должно существовать бесконечное количество раз.
Памела: И это начинает становиться настоящим сумасшествием.
Фрейзер: Как все началось; как то, что я только что сказал, недостаточно глупо.
Памела: Так вот где вы начинаете идти ох! Потому что, как вы сказали, в действительно бесконечной вселенной вы начинаете сталкиваться с бесконечным количеством одних и тех же вещей, происходящих снова и снова, независимо от того, насколько мала вероятность того, что вы в конечном итоге это обнаружите.
Теперь, если у вас есть достаточно маленькая конечная Вселенная, свет окутывает ее, и мы можем видеть себя в прошлом.
Фрейзер: Правильно. Кажется, мы говорили об этом, так как Вселенная плоская, параллельные линии движутся в одном направлении. Вы смотрите в одном направлении, и как только вы достигаете края вселенной, это просто затылок.
Нет края, и поэтому во всех направлениях на самом дальнем месте вы увидите то, с чего начали. Но тогда, я думаю, вы бы посмотрели дальше собственного плеча и увидели бы дальше, верно?
Памела: Ну, что же такого крутого в этой идее, которая, оказывается, не работает, мы могли бы в принципе, если бы Вселенная была конечной и достаточно маленькой, посмотреть и увидеть, как Земля выглядела 10 миллиардов лет назад .
Было бы так здорово наблюдать за эволюцией планеты.
Фрейзер: Но если бы она была достаточно маленькой, разве не было бы мы в миллиарде световых лет, а сразу за Землей была бы другая Земля, и та, которую мы видим 2 миллиарда лет назад?
Памела: Это если ты совсем маленький. И мы действительно заметили бы это сейчас. Это не так уж и мало. Но была некоторая надежда, ужасно разбитая микроволновым зондом анизотропии Уилкинсона, что, возможно, мы живем во Вселенной, которая была либо четырехмерным тороидом, либо каким-то гипердодекаэдром, что просто забавно говорить.
Если бы Вселенная была достаточно мала, мы могли бы посмотреть на космический микроволновый фон и увидеть в разных местах на космическом микроволновом фоне одинаковые световые пятна. Идентичные места, где мы в основном смотрим через парадную дверь Вселенной и заглядываем внутрь через черный ход.
Фрейзер: И мы этого не видим.
Памела: Мы этого не видим.
Фрейзер: Тогда разве это не будет просто хорошо, тогда это неправда? Когда физики говорят, что вы смотрите через переднюю дверь, а видите заднюю дверь, разве свидетельство WMAP не должно было сказать «нет»?
Памела: Итак, мы выглянули, и астрономы уставились на WMAP с большой самоотдачей и компьютерным программным обеспечением, пытаясь найти идентичные пятна, и они не могли этого сделать. Дело в том, что это не говорит нам с уверенностью, что Вселенная не является гипертороидом. Это не гипердодекаэдр, не футбольный мяч, не пончик.
Мы не можем этого сказать, потому что может случиться так, что это такой большой пончик или футбольный мяч, что два одинаковых пятна, передняя дверь и задняя дверь, которые смотрят друг на друга, находятся дальше друг от друга, чем размер нашей видимой Вселенной. .
Фрейзер: Значит, они ушли слишком далеко?
Памела: Ага. И мы просто не видим двух одинаковых пятен на небе.
Фрейзер: Итак, наблюдение одинаковых пятен даст вам подтверждение, так что это все еще неизвестно. Вернемся на секунду в бесконечную вселенную. Как Большой взрыв вписывается в эту концепцию?
Памела: Идея состоит в том, что с помощью определенных геометрий, например, седловидной геометрии, вы не можете создать геометрию седловидной формы и замкнутую. та самая геометрия.
С плоскими вы можете начать получать такие вещи, как тороиды, которые являются конечными. Но в целом плоский в большинстве способов, которыми мы работаем с математикой, в конечном итоге с бесконечной вселенной. Это просто геометрия пространства, что вы всегда можете сделать следующий шаг и выпасть из вселенной, но вы все еще в ней, потому что она бесконечна. Вы можете просто продолжать движение, и Вселенная не имеет границ в своей конкретной геометрии.
Фрейзер: Таким образом, открытие плоской Вселенной подтверждает существование бесконечной Вселенной.
Памела: Поддерживает, но не требует, потому что у нас мог бы быть этот гипертороид. У нас могла бы быть и другая действительно сумасшедшая геометрия. Также возникает вопрос, действительно ли наша Вселенная достаточно велика, у нее могут быть всевозможные сумасшедшие формы, сумасшедшая геометрия, где только крошечная часть Вселенной, в которой мы находимся, кажется плоской.
Это одна из раздражающих вещей, когда начинаешь иметь дело с действительно большими вещами. Вы растягиваете что-либо, и оно выглядит плоским. Вы растягиваете что-либо, и кажется, что это постоянная последовательность.
Фрейзер: Но, думаю, с Большим Взрывом; как представить себе бесконечную вселенную, 13,7 миллиардов лет назад вселенная была сингулярностью.
Памела: Правильно.
Фрейзер: А потом началось расширение. Но все же, если он бесконечен, была ли это сингулярность бесконечного размера? Наверное.
Памела: Это сингулярность без границ.
Именно здесь конечность/бесконечность начинает ломать человеческий мозг. Потому что частью определения конечной вселенной является то, что у вас есть замкнутая геометрия. Определение конечного состоит в том, что вы идете по прямой и возвращаетесь к затылку.
И с бесконечной вселенной, с геометрией, ты просто продолжаешь. И так вы начинаете вникать в то, что это не конечно и бесконечно в том смысле, что шесть игральных костей против неисчислимого бесконечного числа игральных костей. Это вопрос о том, есть ли у вещи край или нет границ.
Fraser: Теперь мы немного поговорили о том, что WMAP помог закрыть некоторые возможности, которые сказали бы, что он абсолютно конечен. Но если оставить открытой возможность для обоих, то куда теперь направляются исследования, чтобы определить это?
Памела: Итак, теперь мы начинаем смотреть и говорить, что все в порядке, поэтому мы исключили эти возможности. Меньшие додекаэдры. Так что с микроволновым зондом следующего поколения, миссией Plank, у нас будет более высокое разрешение и большая чувствительность.
Итак, давайте начнем выяснять, каковы закономерности в горячих и холодных точках на микроволновом фоне, которые мы бы увидели, если бы вы увеличили вселенную немного и начали бы заглядывать краям этих дверей и окон внутрь. друг через друга.
Какие узоры в свете, если он у вас идет в ту или иную сторону? О каких геометрических формах мы еще не подумали?
Наибольшее внимание в средствах массовой информации, о которых говорили люди, привлекли в основном форму футбольного мяча и форму пончика, которые крайне неудовлетворительны. Мы не хотим, чтобы Вселенная имела такую форму. Это вредит нашему маленькому мозгу.
Итак, давайте начнем мыслить нестандартно. Давайте начнем с выяснения того, как мы можем математически определить что-то как плоское. Это строго означает, что две параллельные линии остаются параллельными, а две линии, которые начинаются под прямым углом друг к другу, остаются под прямым углом друг к другу.
Какими разными способами мы можем начать получать эти геометрии и какие разные сигналы мы бы обнаружили в космическом микроволновом фоне, если бы у нас были эти альтернативные геометрии? И давайте начнем мыслить во многих измерениях.
Давайте начнем думать с коробки, которая вращается всевозможными сумасшедшими способами, которые мы обычно не можем визуализировать, но мы можем запрограммировать компьютер для создания. Это становится самой уродливой задачей геометрии в мире. Затем вы начинаете пытаться выяснить, каковы ограничения, если вселенная такая большая, что это значит?
К сожалению, все, что мы когда-либо можем сделать, это установить нижний предел размера Вселенной. Если Вселенная действительно бесконечна, мы никогда не сможем сказать об этом с уверенностью. Это одна из грустных вещей в этом.
В лучшем случае мы сможем сказать: «Вселенная больше, чем», а затем указать некоторое число.
Фрейзер: Верно, потому что с увеличением чувствительности наших приборов мы сможем все лучше и лучше измерять горячие и холодные точки. Каждый раз, когда мы не видим зеркальных изображений, мы знаем, что Вселенная должна быть больше, чем «X».
Затем мы создадим еще более чувствительный космический корабль, который еще раз посмотрит на него и скажет, что он должен быть больше, чем «Y».
Это лучшее, что мы можем сделать? Мы никогда не можем знать наверняка?
Памела: Это лучшее, что мы можем сделать.
Фрейзер: Однако, когда я разговариваю с вами, вы думаете, что это конечно, верно? Это, кажется, ваш синтез науки до сих пор. Почему это?
Памела: В какой-то момент, когда вы просматриваете несколько улик, вам просто нужно выбрать ту, которая больше всего нравится вашему желудку. Здесь я должен признать, что консенсуса нет, и больше людей занимаются математикой для бесконечной вселенной — немного легче делать математику таким образом — чем для конечной вселенной.
У меня проблемы с идеей бесконечной вселенной, которая может быть параллельна другим бесконечным вселенным. Это как бы ломает мне мозг.
Тогда есть просто идея: «Как создать сингулярность, которая содержит все в бесконечной вселенной, которая в настоящее время имеет плотность около шести атомов водорода в среднем на кубический метр?».
Как создать бесконечную версию что?
Кажется, для моего мозга, который поддерживает космологию множественных параллельных вселенных, более разумно иметь конечную начальную точку, которая имеет критическую плотность, которая развивается по мере изменения объема, и все уравновешивается, но вы имеете дело с конечными количествами .
Упаковывая несколько бесконечностей бок о бок, мой мозг отказывается от этой идеи. Однако с научной точки зрения я не могу сказать, что мое решение любить эту теорию имеет большее значение, чем чье-то еще решение о том, что Вселенная должна быть совершенно бесконечной и что существует только одна из них; и чью-то идею о том, что существуют бесконечные ветвящиеся вселенные.
Может быть чья-то идея о том, что существуют конечные ветвящиеся вселенные. Есть так много разных вещей, которые могут сойтись воедино, и у нас нет способа сказать, кто более прав, чем кто.
Фрейзер: Но вам ведь не нужно вмешивать в это все, что связано с множественными вселенными, верно? Это способы попытаться ответить на проблемы квантовой теории.
Это совсем другое шоу. Может быть, это будет четвертая часть?
Тогда даже в этом случае, какой бы безумной ни была возможность, все, что у вас есть, это доказательства. Мы так далеки от того, где ваша интуиция может вам помочь. Вы оставили свою интуицию дома, в африканской саванне, миллион лет назад. Он не готов к созерцанию бесконечной вселенной в сравнении с конечной.
Итак, какие линии улик мы могли бы иметь, чтобы попытаться определить и сузить это? Все, что у нас есть, это смотреть на космическое микроволновое фоновое излучение и видеть край.
Памела: Прямо сейчас, да. Прямо сейчас все, что мы можем сделать, чтобы определить размер видимой Вселенной и наложить ограничения на размер всей Вселенной, — это взглянуть на космическое микроволновое излучение. И не помещать на него какой-то размер всей вселенной; и изучить скорость удаления объектов, которые находятся между нами в космическом микроволновом фоне, чтобы измерить эволюцию расширения Вселенной.
Если мы на самом деле не понимаем, как скорость расширения менялась со временем, мы не можем точно сказать, где в настоящее время находится та точка, которая приняла фотон из фона космических лучей, который мы видим.
Поэтому нам необходимо постоянно работать над уточнением наших значений скорости расширения Вселенной в различные моменты времени. И нам нужно как можно подробнее изучить микроволновый фон.
С помощью этих двух наборов наблюдений мы можем выяснить, насколько далеко находится эта стена космического микроволнового фона с точки зрения того, где находятся точки, пропускающие свет, который мы видим сейчас с нашим текущим местоположением, по сравнению с тем, где эти точки были, когда они допустил свет.
Мы можем наложить ограничения на то, что мы знаем, что вселенная больше, чем мы можем видеть. И это так хорошо, как получается.
Фрейзер: Хорошо, тогда предположим, что Вселенная конечна. Я дам тебе это. Насколько велика Вселенная?
Памела: Ну, многие люди, работающие над теориями, придумывают числа примерно в сто раз больше, чем мы видим.
Такова текущая господствующая космология. Примерно в сто раз больше, чем мы видим.
Фрейзер: Итак, тогда мы находимся примерно в 1,5 триллионах световых лет в поперечнике. Неплохо для всего 13,7 миллиардов лет расширения.
Памела: Именно этот период инфляции в течение первой секунды или около того действительно позволил нам добраться туда, где мы есть. Без этого мы, вероятно, смогли бы увидеть все, но этот период инфляции действительно растянул ситуацию и позволяет нам видеть только небольшой уголок того места, где мы живем.
Фрейзер: Сколько из этого было инфляцией? Насколько велика была Вселенная к концу инфляции? Или это было похоже на большой ускоритель?
Памела: Это большой ускоритель.
Фрейзер: Итак, какой же тогда процент всей Вселенной составляет наша наблюдаемая Вселенная? В конечной вселенной?
Памела: О, теперь ты начинаешь разбираться с кубиками.
Вы должны вычислить, если радиус в 100 раз превышает то, что мы можем видеть, вы берете один больше 100 в кубе, и это доля, которую мы видим. Таким образом, 100 в кубе — это 10 в 6-м, то есть один больше 10 000-го. Мы видим одну из 10 000 Вселенной.
Фрейзер: Одна 10-тысячная Вселенной? При нашем текущем минимальном размере вселенной, основанном на том, что мы видим с помощью WMAP.
Памела: Вроде круто?
Фрейзер: Немного грустно. Я просто хочу увидеть больше Вселенной. Я люблю путешествовать, я должен так сказать…
Памела: Но бывает и хуже, подумай об этом. В той части Вселенной, которую мы можем видеть, мы видим только четыре процента массы. То, что мы можем видеть, является видимой материей.
Фрейзер: Верно, остальное — темная материя, темная энергия и просто черная материя, которую мы не можем видеть. Это обычная материя, только не блестящая.
Памела: Итак, мы видим четыре процента от одной десятитысячной Вселенной.
Фрейзер: И мы видим только то, что происходит сейчас или недавно в крошечной сфере вокруг Земли. Чем дальше мы смотрим, это старые новости. Это было бы похоже на то, что единственная газета, которая появляется, это новости 14-го века. Не очень помогает.
Новости из Японии — это то, что произошло в 18 веке. Это было бы отстойно. Не могли бы вы сделать это еще печальнее?
Памела: Нет, я счастлива.
Фрейзер: Хорошо, повторюсь, мы можем видеть только крошечную часть Вселенной и еще мельчайшую часть того, что есть на самом деле, и крошечную часть того, что происходит прямо сейчас.
Что ж, я думаю, мы закончили с этой трилогией о центре, форме и размере вселенной. Я знаю, что мы получим несколько вопросов. Так что присылайте их, и, возможно, мы поставим в очередь наше следующее шоу с вопросами, чтобы попытаться разобраться со всеми головными болями, которые мы причинили людям, и попытаться дать вам некоторое облегчение.
Эта стенограмма не полностью соответствует аудиофайлу. Он был отредактирован для ясности.
Транскрипция и редактирование Синди Леонард
Насколько велика Вселенная?
«Космос большой.
Вы просто не поверите, насколько он огромен, огромен,
умопомрачительно велик. Я имею в виду, вы можете подумать, что это долгий путь
вниз по дороге к аптеке, но это просто копейки в космосе. – Дуглас Адамс, Автостопом по Галактике
В каком-то смысле край вселенной легко
обозначить: это расстояние, которое луч света мог
пройти с начала времен. Все, что находится за пределами
, мы не можем наблюдать, и, следовательно, за пределами нашей так называемой
«наблюдаемой вселенной».
Можно предположить, что расстояние от центра
Вселенной до края — это просто возраст Вселенной
(13,8 миллиарда лет), умноженный на скорость света
: 13,8 миллиарда световых лет.
Но пространство все это время растягивалось; и всего на
, как дорожка в аэропорту удлиняет шаг идущего пассажира на
шага, движущаяся дорожка в космосе удлиняет
шага световых лучей.
Получается, что за 13,8 миллиардов
лет с начала времен луч света мог пройти
46,3 миллиардов световых лет от точки своего происхождения в Большом Взрыве. Если представить, что этот луч следует по радиусу
а, то наблюдаемая Вселенная представляет собой сферу, чей диаметр
вдвое больше: 92,6 миллиарда световых лет.
«Поскольку нет ничего быстрее света, за пределами наблюдаемой Вселенной
в принципе может произойти что угодно», — говорит Эндрю Лиддл, астроном
из Эдинбургского университета. «Это может закончиться
, и мы не сможем узнать».
Но у нас есть веские основания подозревать, что вся Вселенная
(с заглавной буквы, чтобы отличить ее от просто наблюдаемой вселенной
) простирается намного дальше, чем
часть, которую мы можем наблюдать, и что она, возможно, бесконечна.
Итак, как мы можем знать, что происходит за пределами наблюдаемой Вселенной
?
Представьте себе бактерию, плавающую в аквариуме. Как
мог знать истинные размеры своего, казалось бы, бесконечного мира
? Ну, искажения света из-за кривизны стекла могут дать ключ к разгадке.
Точно так же кривизна
Вселенной говорит нам о ее предельном размере.
«Геометрия Вселенной может быть трех
различных видов», — говорит Роберт Тротта, астрофизик
в Имперском колледже Лондона. Он мог быть закрытым (как сфера
), открытым (как седло) или плоским (как стол).
Замкнутая геометрия
будет означать, что Вселенная конечна,
, а два других означают, что Вселенная
теоретически бесконечна.
Ключом к измерению его кривизны является космическое
микроволновое фоновое (CMB) излучение — поток
света, испускаемый огненным шаром плазмы, который пронизывал
вселенную через 400 000 лет после Большого взрыва. это наша
снимок Вселенной, когда она была очень молодой, и
примерно в 1000 раз меньше, чем сегодня.
Универсальная геометрия: вселенная может быть замкнутой, как сфера, открытой, как седло, или плоской, как стол. Первый вариант сделал бы его конечным; два других, бесконечные.
Журнал «Космос»
Подобно тому, как древние географы когда-то использовали кривизну
земного горизонта, чтобы вычислить размер нашей планеты,
астрономы используют кривизну реликтового излучения в нашем 9023 году.0023 космический горизонт, чтобы оценить размер Вселенной.
Суть в том, чтобы использовать спутники для измерения температуры различных элементов реликтового излучения. То, как
эти особенности искажают реликтовое излучение, используется
для расчета его геометрии. «Поэтому определение размера
и геометрии Вселенной помогает нам определить, что
произошло сразу после ее рождения», — говорит Тротта.
С конца 1980-х годов три поколения спутников
картировали реликтовое излучение с постоянно улучшающимся разрешением,
дает все более и более точные оценки кривизны
Вселенной. Последние данные, опубликованные в марте 2013 года,
поступили с телескопа Planck
Европейского космического агентства.
Он оценил кривизну как полностью плоскую
, по крайней мере, с точностью измерения
плюс-минус 0,4%.
Крайняя плоскостность Вселенной поддерживает теорию
о космической инфляции. Эта теория утверждает, что в
долях секунды (10 −36 секунд, если быть точным) всего
после своего рождения Вселенная надулась, как воздушный шарик,
расширился на много порядков, одновременно растянув
и сплющив его поверхностные элементы.
Идеальная плоскостность означала бы, что Вселенная бесконечна,
хотя погрешность плюс-минус 0,4% означает
, мы не можем быть уверены. Он все еще может быть конечным, но очень большим.
Используя данные Планка, Тротта и его коллеги
определили, что минимальный размер фактической Вселенной
должен быть по крайней мере в 250 раз больше, чем
наблюдаемая вселенная.
Следующее поколение телескопов должно улучшить
по данным телескопа Планк. Дадут ли они нам
окончательный ответ о размере вселенной
, еще неизвестно.
«Я предполагаю, что мы по-прежнему будем рассматривать вселенную
как почти плоскую и все еще не будем знать
достаточно хорошо, чтобы исключить открытость или закрытость
в течение длительного времени», — говорит Чарльз Беннет, руководитель нового массива микроволновых излучений КЛАССА
. телескопы в Чили.{%рекомендовано 5317%}
Как оказалось, из-за фонового шума существует
фундаментальных пределов того, насколько точно мы можем когда-либо измерить кривизну
, независимо от того, насколько хороши телескопы. В
июля 2016 года физики из Оксфорда пришли к выводу, что мы не можем
измерить кривизну ниже примерно 0,01%. Таким образом, нам
еще многое предстоит сделать, хотя проведенные до сих пор
измерения и
данные теории инфляции заставляют большинство
физиков склоняться к мнению, что Вселенная, вероятно,
бесконечна. Однако у страстного меньшинства было
серьезная проблема с этим.
Избавление от бесконечности, как сказал великий
британский физик Поль Дирак, является самой важной задачей в
физике.
«В природе никогда не наблюдалось бесконечности», — отмечает
астрофизик Колумбийского университета Жанна Левин
в своих мемуарах 2001 года «Как Вселенная получила свои пятна».
«Бесконечность также недопустима в научной теории».
Так почему же физики продолжают допускать, что сама Вселенная
может быть бесконечной? Идея восходит к
отцы-основатели физики. Ньютон, например,
рассуждал, что Вселенная должна быть бесконечной, основываясь на
его законе тяготения. Он утверждал, что все во вселенной притягивает все остальное. Но если бы это было
, то в конце концов Вселенная притянулась бы к единственной точке
, подобно тому, как звезда в конце концов схлопывается
под собственным весом. Это противоречило его твердому убеждению, что вселенная существовала всегда. Так что, прикинул он,
единственным объяснением была бесконечность — одинаковое притяжение во всех
направления сохранят вселенную статической и вечной.
Снимок зарождающейся Вселенной: космический микроволновый фон (CMB), наблюдаемый обсерваторией Planck.
Точно так же, как когда-то географы использовали кривую горизонта для расчета размера Земли, астрономы используют особенности реликтового излучения для оценки кривизны и, следовательно, размера Вселенной.
ЕКА и сотрудничество Planck
Альберт Эйнштейн, 250 лет спустя, в начале
20-го века, так же предвидел вечное и
бесконечная вселенная. Общая теория относительности, его теория вселенной
в величайших масштабах, разворачивается на бесконечном ландшафте пространства-времени
.
С математической точки зрения легче предложить
вселенную, которая существует вечно, чем иметь дело с
краями. Однако быть бесконечным значит быть нереальным — гипербола, абсурд.
В своем рассказе «Вавилонская библиотека» аргентинский писатель
Хорхе Луис Борхес воображает бесконечную библиотеку
, содержащую все возможные книги ровно в 410 страниц:
«…на каждую осмысленную строчку прямолинейного высказывания,
, приходится целая лига бессмысленной какофонии, словесной
путаницы и несвязности».
Поскольку существует только
возможных расстановок букв, возможное
количество книг ограничено, и поэтому библиотеке суждено
повторяться.
Бесконечная Вселенная приводит к аналогичным выводам.
Потому что существует ограниченное количество способов расположения атомов в пространстве
(даже в пределах области 93 миллиарда
световых года в поперечнике), бесконечная Вселенная требует, чтобы
там была еще одна огромная область пространства
, идентичная нашей во всех отношениях. Это означает еще один
Млечный Путь, еще одну Землю, еще одну версию вас и
еще одну меня.
Физик Макс Тегмарк из Массачусетского технологического института
провел подсчеты. Он
подсчитал, что в бесконечной Вселенной участки пространства
, идентичные нашему, будут появляться примерно каждые
10 10 115 метров (безумно огромное число, за единицей
нулей больше, чем атомов в наблюдаемой вселенной
).
Так что нет опасности столкнуться со своим близнецом
в магазинах; но все же Левин не принимает
его: «Это высокомерие или логика заставляет меня думать, что этот
неверен? Есть только один я, один ты. Вселенная
не может быть бесконечной».
Левин был одним из первых теоретиков, которые подошли к
общей теории относительности с новой точки зрения. Вместо
размышляя о геометрии, описывающей форму
пространства, она посмотрела на его топологию: как оно
связано.
Все эти предположения о плоских, закрытых или открытых
вселенных справедливы только для огромных сферических вселенных,
утверждала она. Другие формы могут быть топологически «плоскими»
и все же конечными.
«Ваша идея о вселенной в форме пончика интригует,
Гомер», — говорит Стивен Хокинг в эпизоде
«Симпсонов» 1999 года. — Возможно, мне придется украсть его. На самом деле
Сценаристы шоу уже украли эту идею у
Левин, которая опубликовала свой анализ вселенной
в форме пончика в 1998 году.
Она отметила, что пончик на самом деле имел — «топологически говоря
» — нулевую кривизну, потому что отрицательная кривизна
внутри уравновешивается положительной кривизной снаружи. Таким образом, (близкая) нулевая кривизна
, измеренная в реликтовом излучении, согласовывалась как с
бубликом, так и с плоской поверхностью.
Одна теория колец, чтобы управлять ими всеми: данные реликтового излучения не исключают форму пончика, но он был бы ужасно большим.
Мехау Кулик / Getty Images
В такой вселенной, понял Левин, вы можете пересечь
космос на космическом корабле, как моряки пересекают земной шар
, и вернуться к тому, с чего начали. Эта идея
вдохновила австралийского физика Нила Корниша, ныне
из Университета штата Монтана, на размышления о
том, как самый старый свет из реликтового излучения мог
совершить кругосветное путешествие. Если бы вселенная пончиков
была меньше порогового размера, это создало бы контрольную цифру 9.
Подпись 0023, которую Корниш назвал «кругами в небе».
Увы, когда в
2001 году с микроволнового зонда анизотропии Wilkinson (WMAP)
пришли данные CMB, таких сигнатур обнаружено не было. Это не исключает
полностью из теории пончиков; но это означает, что вселенная
, если это пончик, ужасно большая.
Попытки напрямую доказать или опровергнуть бесконечность
Вселенной, похоже, заводят нас в тупик, по крайней мере,
при современных технологиях. Но мы могли бы сделать это к 9Вывод 0023, считает Корниш. Теория инфляции делает убедительную работу по
объяснению ключевых особенностей нашей Вселенной; и одним из
ответвлений инфляции является теория мультивселенной.
Это своего рода теория, которая, когда вы впервые слышите ее, кажется, что
возникла в уме автора научной фантастики
, балующегося веществами, расширяющими сознание.
На самом деле он был впервые предложен влиятельным физиком из Стэнфордского университета Андреем Линде в 1980-х годах.
Линде – вместе
с Аланом Гутом в Массачусетском технологическом институте и Алексеем Старобинским в
Российском институте теоретической физики им. Ландау —
был одним из создателей теории инфляции.
Первоначальные идеи Гута и Старобинского предполагали, что инфляция
иссякнет в первую долю секунды после Большого взрыва; Однако у
Linde это продолжалось и продолжалось, и новые вселенные
прорастали, как вечный имбирный корень.
С тех пор Линде показал, что «вечная инфляция» — это, вероятно, неизбежная часть любой модели инфляции. это 9Модель 0023 вечной инфляции, или мультивселенной, привлекательна для компании Linde
, потому что она решает величайшую загадку из всех:
почему законы физики кажутся точно настроенными, чтобы позволить нашему
существованию.
Силы гравитации как раз достаточно, чтобы позволить стабильным
звездам формироваться и гореть, электромагнитные и ядерные
силы — это как раз то, что нужно для формирования атомов,
для эволюции сложных молекул и для того, чтобы мы пришли к
быть.
В каждой вновь возникшей вселенной эти константы получают
назначается случайным образом. В некоторых случаях гравитация может быть настолько сильной,
, что Вселенная снова коллапсирует сразу же после большого взрыва
. В других гравитация была бы настолько слабой, что атомы водорода
никогда не сконденсировались бы в звезды или галактики.
С бесконечным количеством новых вселенных, порождающих
и исчезающих, случайно появится одна, в которой
пригодна для развития жизни.
Бесконечное разнообразие: в модели вечной инфляции новые вселенные прорастают, как вечный корень имбиря.
Андрей Линде
У теории мультивселенной есть свои критики, особенно
другой соучредитель теории инфляции Пол Стейнхардт.
, который сказал журналу Scientific American в 2014 году: «Научные
идеи должны быть простыми, объяснительными, прогнозирующими. Инфляционная мультивселенная
в ее нынешнем понимании
, по-видимому, не обладает ни одним из этих свойств».
Тем временем
Пол Дэвис из Аризонского университета написал в The
New York Times, что «обращение к бесконечности невидимых
вселенных для объяснения необычных особенностей той, которую мы
0023 do see так же ad hoc, как вызов невидимого создателя».
Но в другом смысле мультивселенная является более простой из двух моделей инфляции. В нескольких строках уравнений или
всего в нескольких предложениях речи мультивселенная дает нам
механизм для объяснения происхождения нашей вселенной, так же как
теория естественного отбора Чарльза Дарвина объяснила
происхождение видов. Как выразился Макс Тегмарк: «Поэтому наше
суждение сводится к тому, что мы находим более
расточительным и неизящным: много миров или много слов».
Чтобы решить эту проблему, нам нужно больше
узнать о том, что произошло в первую долю секунды
Вселенной. Возможно, гравитационные волны станут ответом
, способом «услышать» вибрации самого большого взрыва
.