Știați că universul pe care îl observăm are granițe destul de precise? Suntem obișnuiți să asociem Universul cu ceva infinit și de neînțeles. Cu toate acestea, știința modernă la întrebarea „infinitului” Universului oferă un răspuns complet diferit la o astfel de întrebare „evidentă”.
Conform conceptelor moderne, dimensiunea universului observabil este de aproximativ 45,7 miliarde de ani-lumină (sau 14,6 gigaparsec). Dar ce înseamnă aceste numere?
Granița fără margini
Prima întrebare care vine în mintea unei persoane obișnuite este cum Universul nu poate fi deloc infinit? S-ar părea incontestabil faptul că containerul a tot ceea ce există în jurul nostru nu trebuie să aibă granițe. Dacă aceste granițe există, care sunt acestea?
Să zicem că un astronaut a zburat către granițele universului. Ce va vedea în fața lui? Un zid solid? Bariera împotriva incendiilor? Și ce se află în spatele ei - goliciunea? Un alt univers? Dar poate golul sau un alt Univers înseamnă că suntem la granița universului? La urma urmei, acest lucru nu înseamnă că nu există „nimic”. Golul și celălalt Univers sunt, de asemenea, „ceva”. Dar Universul este ceva care conține absolut tot „ceva”.
Ajungem la o contradicție absolută. Se dovedește că granița Universului ar trebui să ascundă de noi ceva ce nu ar trebui să fie. Sau granița Universului ar trebui să-și închidă „totul” de la „ceva”, dar acest „ceva” ar trebui să facă parte și din „tot”. În general, o absurditate completă. Atunci, cum pot oamenii de știință să pretindă mărimea, masa și chiar vârsta limită a universului nostru? Aceste valori, deși sunt de neimaginat mari, sunt încă finite. Știința se ceartă cu evident? Pentru a face față acestui lucru, să urmărim mai întâi modul în care oamenii au ajuns la o înțelegere modernă a universului.
Video promotional:
Extinderea limitelor
Din vremuri imemoriale, omul s-a interesat de ceea ce este lumea din jurul lor. Nu trebuie să dăm exemple de cele trei balene și alte încercări ale anticilor de a explica universul. De regulă, până la urmă s-a ajuns la faptul că fundamentul a tot ceea ce există este firmamentul pământesc. Chiar și în antichitate și în Evul Mediu, când astronomii aveau cunoștințe ample despre legile care guvernau mișcarea planetelor de-a lungul sferei cerești „fixe”, Pământul a rămas centrul Universului.
Desigur, chiar și în Grecia Antică au existat cei care au crezut că Pământul a învârtit în jurul Soarelui. Au fost cei care au vorbit despre multele lumi și despre infinitatea universului. Însă justificarea constructivă a acestor teorii a apărut abia la întoarcerea revoluției științifice.
În secolul al XVI-lea, astronomul polonez Nicolaus Copernicus a făcut prima descoperire importantă în înțelegerea Universului. El a dovedit ferm că Pământul este doar una dintre planetele care orbitează Soarele. Un astfel de sistem simplifica foarte mult explicația unei mișcări atât de complexe și complexe a planetelor din sfera cerească. În cazul unui pământ staționar, astronomii au fost nevoiți să inventeze tot felul de teorii ingenioase pentru a explica acest comportament al planetelor. Pe de altă parte, dacă Pământul este considerat mobil, atunci explicația pentru astfel de mișcări complicate vine în mod natural. Așa a fost creată o nouă paradigmă numită „heliocentrism” în astronomie.
Mulți Soare
Cu toate acestea, chiar și după aceea, astronomii au continuat să limiteze universul la „sfera stelelor fixe”. Până în secolul al XIX-lea nu puteau estima distanța față de stele. Timp de câteva secole, astronomii au încercat în zadar să detecteze abateri în poziția stelelor în raport cu mișcarea orbitală a Pământului (paralaje anuale). Instrumentele acelor vremuri nu permiteau măsurători atât de precise.
Vega, împușcat de ESO
În cele din urmă, în 1837, astronomul ruso-german Vasily Struve a măsurat paralaxa α din Lyra. Aceasta a marcat un nou pas în înțelegerea scării spațiului. Acum oamenii de știință ar putea spune în siguranță că stelele sunt asemănări îndepărtate cu Soarele. Și de acum luminoasa noastră nu este centrul tuturor, ci un „locuitor” egal al clusterului stelar nesfârșit.
Astronomii s-au apropiat și mai mult de înțelegerea scării universului, deoarece distanțele până la stele s-au dovedit a fi cu adevărat monstruoase. Chiar și dimensiunea orbitelor planetelor părea nesemnificativă în comparație cu aceasta. Atunci a fost necesar să înțelegem cum stelele sunt concentrate în Univers.
Calea Lactee Multe
Celebrul filosof Immanuel Kant a anticipat bazele înțelegerii moderne a structurii pe scară largă a Universului în 1755. El a emis ipoteza că Calea Lactee este un imens grup rotativ de stele. La rândul lor, multe dintre nebuloasele observate sunt, de asemenea, „căi lăptoase” mai îndepărtate - galaxii. În ciuda acestui fapt, până în secolul XX, astronomii au respectat faptul că toate nebuloasele sunt surse de formare a stelelor și fac parte din Calea Lactee.
Situația s-a schimbat atunci când astronomii au aflat cum pot măsura distanțele între galaxii folosind cefeide. Luminozitatea absolută a stelelor de acest tip depinde strict de perioada de variabilitate a acestora. Prin compararea luminozității lor absolute cu cea vizibilă, este posibilă determinarea distanței față de ele cu o precizie ridicată. Această metodă a fost dezvoltată la începutul secolului XX de către Einar Herzsrung și Harlow Shelpy. Datorită lui, astronomul sovietic Ernst Epik a determinat în 1922 distanța de Andromeda, care s-a dovedit a fi un ordin de mărime mai mare decât dimensiunea Calea Lactee.
Edwin Hubble a continuat încercarea lui Epic. Măsurând luminozitatea cefeidelor din alte galaxii, a măsurat distanța față de ele și a comparat-o cu redshift-ul din spectrele lor. Așa că în 1929 și-a dezvoltat faimoasa lege. Lucrarea sa a respins definitiv credința consacrată că Calea Lactee este marginea universului. Acum era una dintre numeroasele galaxii care fusese considerată cândva o parte integrantă a acesteia. Ipoteza lui Kant a fost confirmată la aproape două secole de la dezvoltarea sa.
Ulterior, legătura dintre distanța galaxiei de la observator și viteza de îndepărtare a acesteia de la observator, descoperită de Hubble, a făcut posibilă compunerea unei imagini complete a structurii pe scară largă a Universului. S-a dovedit că galaxiile erau doar o mică parte din ea. S-au legat în clustere, în grupuri în superclusori. La rândul lor, supercluzorii se pliază în cele mai mari structuri cunoscute din univers - filamente și pereți. Aceste structuri, adiacente uriașelor supravegheri (goluri), alcătuiesc structura pe scară largă a universului actual cunoscut.
Aparent infinit
Din cele de mai sus, rezultă că în doar câteva secole, știința a sărit treptat de la geocentrism la o înțelegere modernă a Universului. Totuși, acest lucru nu oferă un răspuns cu privire la motivul pentru care limităm Universul în aceste zile. Până la urmă, până acum, era vorba doar de scara cosmosului și nu de natura sa.
Evoluția universului
Primul care a decis să justifice infinitul Universului a fost Isaac Newton. După ce a descoperit legea gravitației universale, el a crezut că dacă spațiul ar fi finit, toate trupurile ei se vor contopi mai devreme sau mai târziu într-un singur întreg. Înainte de el, dacă cineva a exprimat ideea infinitului Universului, era exclusiv într-o cheie filozofică. Fără nicio justificare științifică. Un exemplu în acest sens este Giordano Bruno. Apropo, la fel ca și Kant, a fost înaintea științei cu multe secole. El a fost primul care a declarat că stelele sunt soare îndepărtate și planetele se învârt în jurul lor.
S-ar părea că însăși faptul infinitului este destul de justificat și evident, însă momentele de cotă ale științei secolului XX au zguduit acest „adevăr”.
Universul staționar
Albert Einstein a făcut primul pas semnificativ spre dezvoltarea unui model modern al universului. Celebrul fizician a introdus modelul său de univers staționar în 1917. Acest model s-a bazat pe teoria generală a relativității, pe care a dezvoltat-o în același an mai devreme. Conform modelului său, universul este infinit în timp și finit în spațiu. Dar, după cum s-a menționat mai devreme, potrivit Newton, un univers de dimensiuni finite ar trebui să se prăbușească. Pentru a face acest lucru, Einstein a introdus o constantă cosmologică, care a compensat atracția gravitațională a obiectelor îndepărtate.
Oricât de paradoxal ar părea, Einstein nu s-a limitat la tocmai finețea Universului. În opinia sa, Universul este un înveliș închis al unei hipersfere. O analogie este suprafața unei sfere tridimensionale obișnuite, de exemplu, un glob sau Pământul. Oricât de mult ar călători un călător pe Pământ, el nu va ajunge niciodată la marginea sa. Totuși, acest lucru nu înseamnă deloc că Pământul este infinit. Călătorul va reveni pur și simplu în locul în care și-a început călătoria.
Pe suprafața hipersferei
La fel, un rătăcitor în spațiu, depășind universul lui Einstein pe o navă de stele, se poate întoarce înapoi pe Pământ. Abia de data aceasta rătăcitorul se va deplasa nu de-a lungul suprafeței bidimensionale a sferei, ci de-a lungul suprafeței tridimensionale a hipersferei. Aceasta înseamnă că Universul are un volum finit și, prin urmare, un număr finit de stele și masă. Totuși, Universul nu are granițe sau niciun centru.
Viitorul universului
Einstein a ajuns la astfel de concluzii, legând spațiul, timpul și gravitația în faimoasa sa teorie. Înainte de el, aceste concepte erau considerate separate, motiv pentru care spațiul Universului era pur euclidian. Einstein a dovedit că gravitația în sine este o curbură a spațiului. Acest lucru a schimbat radical înțelegerea timpurie a naturii Universului, bazată pe mecanica clasică newtoniană și geometria euclidiană.
Extinderea Universului
Nici chiar descoperitorul „noului Univers” nu a fost străin de amăgire. Deși Einstein a limitat universul în spațiu, el a continuat să îl considere static. Conform modelului său, Universul a fost și rămâne etern, iar dimensiunea lui rămâne mereu aceeași. În 1922, fizicianul sovietic Alexander Fridman a extins semnificativ acest model. Conform calculelor sale, universul nu este deloc static. Se poate extinde sau se poate contracta în timp. Este de remarcat faptul că Friedman a ajuns la un astfel de model, bazat pe aceeași teorie a relativității. El a fost capabil să aplice mai corect această teorie, ocolind constanta cosmologică.
Albert Einstein nu a acceptat imediat acest „amendament”. Descoperirea Hubble menționată anterior a venit la salvarea acestui nou model. Răspândirea galaxiilor a dovedit incontestabil faptul extinderii Universului. Așadar, Einstein a trebuit să își recunoască greșeala. Acum universul avea o anumită vârstă, care depinde strict de constanta Hubble, care caracterizează rata de expansiune a acestuia.
Dezvoltarea ulterioară a cosmologiei
Pe măsură ce oamenii de știință au încercat să rezolve această întrebare, multe alte componente importante ale universului au fost descoperite și au fost dezvoltate diverse modele. Așadar, în 1948, Georgy Gamov a introdus ipoteza „despre un Univers fierbinte”, care s-ar transforma ulterior în teoria big bang-ului. Descoperirea în 1965 a radiației relicve a confirmat convingerile sale. Astronomii au putut observa acum lumina care a venit din momentul în care universul a devenit transparent.
Materia întunecată, prevăzută în 1932 de Fritz Zwicky, a fost confirmată în 1975. Materia întunecată explică de fapt chiar existența galaxiilor, a grupurilor galactice și a Universului în sine. Astfel, oamenii de știință au aflat că cea mai mare parte a masei Universului este complet invizibilă.
Din ce este făcut universul
În cele din urmă, în 1998, în timpul unui studiu privind distanța până la supernovele de tip Ia, s-a descoperit că universul se extinde odată cu accelerația. Acest moment de cotitură în știință a dat naștere la înțelegerea modernă a naturii universului. Coeficientul cosmologic introdus de Einstein și refutat de Friedman și-a găsit din nou locul în modelul Universului. Prezența coeficientului cosmologic (constanta cosmologică) explică expansiunea sa accelerată. Pentru a explica prezența unei constante cosmologice, a fost introdus conceptul de energie întunecată - un câmp ipotetic care conține cea mai mare parte a masei Universului.
Modelul actual al universului este denumit și modelul ΛCDM. Litera „Λ” denotă prezența unei constante cosmologice care explică expansiunea accelerată a universului. CDM înseamnă că universul este plin de materie rece și întunecată. Studii recente indică faptul că constanta Hubble este de aproximativ 71 (km / s) / Mpc, ceea ce corespunde vârstei Universului 13,75 miliarde de ani. Cunoscând vârsta universului, se poate estima dimensiunea zonei sale observabile.
Evoluția universului
Conform teoriei relativității, informațiile despre orice obiect nu pot ajunge la observator cu o viteză mai mare decât viteza luminii (299792458 km / s). Se pare că observatorul vede nu doar un obiect, ci trecutul său. Cu cât obiectul este mai îndepărtat, cu atât este mai îndepărtat trecutul. De exemplu, privind luna, vedem ce a fost cu puțin mai mult de o secundă în urmă, Soarele - acum mai bine de opt minute, stelele cele mai apropiate - ani, galaxii - acum milioane de ani etc. În modelul staționar al lui Einstein, Universul nu are limită de vârstă, ceea ce înseamnă că regiunea sa observabilă nu este limitată de nimic. Observatorul, înarmat cu instrumente astronomice din ce în ce mai avansate, va observa obiecte din ce în ce mai îndepărtate și mai vechi.
Avem o imagine diferită cu modelul modern al Universului. Potrivit ei, Universul are o vârstă și, prin urmare, o limită de observare. Adică, de la nașterea Universului, niciun foton nu ar fi avut timp să parcurgă o distanță mai mare de 13,75 miliarde de ani-lumină. Se dovedește că putem afirma că Universul observabil este limitat de la observator la o regiune sferică cu o rază de 13,75 miliarde de ani lumină. Totuși, acest lucru nu este chiar adevărat. Nu uitați de extinderea spațiului Universului. Până când fotonul ajunge la observator, obiectul care l-a emis va fi de 45,7 miliarde sv de noi. varsta. Această dimensiune este orizontul particulelor și este granița Universului observabil.
Deci, mărimea Universului observabil se împarte în două tipuri. Dimensiune vizibilă, numită și raza Hubble (13,75 miliarde de ani-lumină). Și dimensiunea reală, numită orizont de particule (45,7 miliarde de ani-lumină). În esență, ambele aceste orizonturi nu caracterizează deloc dimensiunea reală a Universului. În primul rând, acestea depind de poziția observatorului în spațiu. În al doilea rând, se schimbă în timp. În cazul modelului ΛCDM, orizontul de particule se extinde cu o viteză mai mare decât orizontul Hubble. Întrebarea dacă această tendință se va schimba în viitor, știința modernă nu dă un răspuns. Dar dacă presupunem că Universul continuă să se extindă cu accelerație, atunci toate acele obiecte pe care le vedem acum, mai devreme sau mai târziu, vor dispărea din „câmpul nostru vizual”.
În momentul de față, cea mai îndepărtată lumină observată de astronomi este radiația de fundal cu microunde. Cercetând în ea, oamenii de știință văd Universul așa cum a fost 380 de mii de ani după Big Bang. În acest moment, Universul s-a răcit atât de mult încât a reușit să emită fotoni gratuite, care sunt surprinse astăzi cu ajutorul radiotelescoapelor. În acele zile, nu existau stele sau galaxii în Univers, ci doar un nor solid de hidrogen, heliu și o cantitate nesemnificativă de alte elemente. Din neomogenitățile observate în acest nor, ulterior se vor forma ciorchini galactici. Se dovedește că exact acele obiecte care se formează din neomogenitățile radiației relicte sunt situate cel mai aproape de orizontul particulelor.
Adevăratele granițe
Indiferent dacă universul are granițe adevărate, neobservabile, este încă obiectul unor conjecturi pseudosciente. Într-un fel sau altul, toată lumea converge la infinitul Universului, dar ei interpretează această infinitate în moduri complet diferite. Unii consideră Universul ca fiind multidimensional, în care Universul nostru „local” tridimensional este doar unul dintre straturile sale. Alții spun că universul este fractal - ceea ce înseamnă că universul nostru local poate fi o particulă a altuia. Nu uitați de diferitele modele ale Multiversului cu universurile sale închise, deschise, paralele, găurile de vierme. Există multe versiuni diferite, dintre care numărul este limitat doar de imaginația umană.
Dar dacă activăm realismul rece sau pur și simplu ne îndepărtăm de toate aceste ipoteze, atunci putem presupune că Universul nostru este un depozit omogen infinit al tuturor stelelor și galaxiilor. Mai mult, în orice punct foarte îndepărtat, fie că este vorba de miliarde de gigaparsecuri de la noi, toate condițiile vor fi exact aceleași. În acest moment, va exista exact același orizont de particule și sfera Hubble cu aceeași radiație relicvă la marginea lor. Vor fi aceleași stele și galaxii în jur. Interesant este că acest lucru nu contravine expansiunii universului. La urma urmei, nu doar Universul se extinde, ci chiar spațiul său. Faptul că, în momentul big bang-ului, Universul a apărut dintr-un singur punct indică doar că dimensiunile infinit de mici (practic zero), care s-au transformat acum în inimaginabil de mari. În ceea ce urmează, vom folosi doar această ipoteză pentru a ne asigura căcare înțeleg clar scala universului observabil.
Reprezentare vizuala
Surse variate oferă tot felul de modele vizuale care permit oamenilor să înțeleagă scara universului. Cu toate acestea, nu ne este suficient să ne dăm seama cât de mare este cosmosul. Este important să înțelegem cum se manifestă de fapt concepte precum orizontul Hubble și orizontul de particule. Pentru a face acest lucru, să ne imaginăm modelul nostru pas cu pas.
Să uităm că știința modernă nu știe despre regiunea „străină” a Universului. Renunțând la versiunile despre multivers, Universul fractal și celelalte „soiuri” ale sale, imaginați-vă că este pur și simplu infinit. După cum am menționat anterior, acest lucru nu contravine extinderii spațiului ei. Desigur, să luăm în considerare faptul că sfera sa Hubble și sfera particulelor sunt respectiv egale cu 13,75 și 45,7 miliarde de ani-lumină.
Scara universului
Pentru început, să încercăm să realizăm cât de mare este scara universală. Dacă ați călătorit în jurul planetei noastre, atunci vă puteți imagina cât de mare este Pământul pentru noi. Acum să ne imaginăm planeta ca pe un bob de hrișcă care orbitează în jurul unui pepene verde-Soare jumătate din dimensiunea unui teren de fotbal. În acest caz, orbita Neptunului va corespunde dimensiunii unui oraș mic, regiunii norului Oort până la Lună, regiunea graniței influenței Soarelui până pe Marte. Se dovedește că sistemul nostru solar este cu atât mai mare decât Pământul, cât Marte este mai mare decât hrișca! Dar acesta este doar începutul.
Acum să ne imaginăm că acest hrișcă va fi sistemul nostru, a cărui dimensiune este aproximativ egală cu un parsec. Atunci Calea Lactee va fi de dimensiunea a două stadioane de fotbal. Cu toate acestea, chiar și acest lucru nu va fi suficient pentru noi. Va trebui să reducem Calea Lactee la o dimensiune de centimetru. Acesta va semăna cumva cu spuma de cafea înfășurată într-un jacuzzi în mijlocul spațiului intergalactic de cafea-negru. La douăzeci de centimetri de ea se află aceeași „firină” spirală - Nebula Andromeda. În jurul lor va fi un roi de mici galaxii din clusterul nostru local. Dimensiunea aparentă a Universului nostru va fi de 9,2 kilometri. Am ajuns la o înțelegere a dimensiunilor universale. În interiorul bulei universale
Cu toate acestea, nu ne este suficient să înțelegem scara în sine. Este important să înțelegem dinamica universului. Să ne imaginăm ca niște uriași pentru care Calea Lactee are un diametru de centimetri. După cum s-a menționat chiar acum, ne regăsim în interiorul unei sfere cu o rază de 4,57 și un diametru de 9,24 kilometri. Să ne imaginăm că suntem capabili să trecem în această sferă, să călătorim, să depășim megaparsecuri întregi într-o secundă. Ce vom vedea dacă universul nostru este infinit?
Desigur, înaintea noastră, va exista un număr infinit de galaxii de tot felul. Eliptic, spiralat, neregulat. Unele zone vor cădea cu ele, altele vor fi goale. Caracteristica principală va fi aceea că, din punct de vedere vizual, toate vor rămâne nemișcate în timp ce noi suntem nemișcați. Dar, imediat ce vom face un pas, galaxiile în sine vor începe să se miște. De exemplu, dacă putem vedea Sistemul Solar microscopic pe centimetrul Calea Lactee, putem observa dezvoltarea lui. Deplasându-ne la 600 de metri de galaxia noastră, vom vedea Soarele protostar și discul protoplanetar în momentul formării. Abordându-ne, vom vedea cum apare Pământul, viața apare și omul apare. La fel, vom vedea cum galaxiile se schimbă și se mișcă pe măsură ce ne îndepărtăm sau ne apropiem de ele.
În consecință, cu cât galaxiile sunt mai îndepărtate, cu atât vor fi mai vechi pentru noi. Așadar, cele mai îndepărtate galaxii vor fi localizate mai departe de 1300 de metri de noi, iar la viraj de 1380 de metri vom vedea radiația relicvă. Adevărat, această distanță va fi imaginară pentru noi. Cu toate acestea, pe măsură ce ne apropiem de radiațiile relicve, vom vedea o imagine interesantă. În mod natural, vom observa modul în care galaxiile se vor forma și dezvolta din norul inițial de hidrogen. Când vom ajunge la una dintre aceste galaxii formate, vom înțelege că am depășit deloc 1.375 kilometri, ci toate 4.57.
downsizing
Drept urmare, vom crește și mai mult ca dimensiune. Acum putem așeza golurile și pereții întregi în pumn. Așa că ne regăsim într-o bulă destul de mică, din care este imposibil să ieșim. Nu numai că distanța față de obiectele de la marginea bulei va crește pe măsură ce acestea se vor apropia, dar marginea în sine va în derivă la infinit. Acesta este întregul punct al dimensiunii universului observabil.
Oricât de mare este Universul, pentru observator va rămâne întotdeauna o bulă limitată. Observatorul va fi întotdeauna în centrul acestei bule, de fapt, el este centrul ei. Încercând să ajungă la orice obiect de la marginea bulei, observatorul își va muta centrul. Pe măsură ce se apropie de obiect, acest obiect se va deplasa din ce în ce mai departe de marginea bulei și, în același timp, se va schimba. De exemplu, dintr-un nor de hidrogen fără formă se va transforma într-o galaxie cu drepturi depline sau mai departe într-un grup de galaxii. În plus, calea către acest obiect va crește pe măsură ce vă apropiați de el, deoarece spațiul înconjurător în sine se va schimba. Odată ce ajungem la acest obiect, îl mutăm doar de la marginea bulei la centrul său. La marginea universului, radiațiile relicve vor pâlpâi și ele.
Dacă presupunem că Universul va continua să se extindă într-un ritm accelerat, atunci fiind în centrul balonului și al timpului de lichidare pentru miliarde, trilioane și comenzi chiar mai mari din anii următori, vom observa o imagine și mai interesantă. Deși bula noastră va crește și în dimensiuni, componentele sale mutante se vor îndepărta de noi și mai repede, lăsând marginea acestei bule, până când fiecare particulă a Universului rătăcește în jurul bulei sale singulare, fără capacitatea de a interacționa cu alte particule.
Deci, știința modernă nu are informații despre care sunt dimensiunile reale ale Universului și dacă are granițe. Dar știm sigur că Universul observabil are o graniță vizibilă și adevărată, numită raza Hubble (13,75 miliarde de ani-lumină) și, respectiv, raza particulelor (45,7 miliarde de ani-lumină). Aceste granițe depind complet de poziția observatorului în spațiu și se extind în timp. Dacă raza Hubble se extinde strict la viteza luminii, atunci expansiunea orizontului particulelor este accelerată. Rămâne deschisă întrebarea dacă accelerarea orizontului de particule va continua și dacă nu se va schimba la compresie.
