На что делится вселенная
Какова геометрия Вселенной?
Облачные решения хороши тем, что позволяют создавать проекты любой сложности, вплоть до виртуального дата-центра. Если попробовать визуализировать эти структуры, то получится этакая мини-вселенная. Давайте поиграем с геометрией, попробовав визуализировать разные модели нашей вселенной.
В нашем сознании вселенная кажется бесконечной. Но с помощью геометрии мы можем рассмотреть различные трехмерные формы, которые предлагают альтернативу «обычному» бесконечному пространству.
Когда смотришь на ночное небо, кажется, будто пространство расширяется во всех направлениях. Такова наша ментальная модель вселенной, но она не всегда является верной. В конце концов, было время, когда все думали, что Земля плоская, потому что изгибы нашей планеты было чрезвычайно трудно заметить, а уж про сферическую форму Земли и вовсе не думали.
Сегодня мы знаем, что Земля имеет форму сферы. Но мало кто задумывается о форме Вселенной. Подобно тому, как сфера стала альтернативой плоской Земле, другие трехмерные формы предлагают альтернативу «обычному» бесконечному пространству.
Мы можем задать два разных, но все же тесно связанных между собой вопросов о форме Вселенной. Один из них касается её геометрии: мелкозернистых локальных измерений таких элементов, как углы и области. Другой — о топологии: как эти локальные части сшиваются в общую форму.
Космологические данные свидетельствуют о том, что часть Вселенной, которую мы можем видеть, гладкая и однородная, по крайней мере приблизительно. Локальная ткань пространства выглядит одинаково в каждой точке и во всех направлениях. Только три геометрические формы подходят под это описание: плоская, сферическая и гиперболическая. Давайте рассмотрим эти модели, некоторые топологические предположения а также то, что говорят космологические данные о формах лучше всего описывающих нашу вселенную.
Плоская геометрия (планиметрия)
Это геометрия, которую мы изучали в школе. Углы треугольника составляют 180 градусов, а площадь круга — πr2. Самым простым примером плоской трёхмерной формы является обычное бесконечное пространство — то, что математики называют евклидовым пространством, — но есть и другие плоские формы, которые тоже нужно учитывать.
Эти формы сложнее визуализировать, но мы можем попробовать пофантазировать, думая в двух измерениях, а не в трёх. В дополнение к обычной евклидовой плоскости, мы можем создать другие плоские формы, вырезая часть плоскости и скрепляя её края вместе. Например, предположим, что мы вырезаем прямоугольный лист бумаги и скрепляем его противоположными краями. Склеивание верхней и нижней граней даёт нам цилиндр:
Потом мы можем заклеить правый и левый края, чтобы получить пончик (то, что математики называют тором):
Теперь вы, наверное, думаете: «но мне не кажется это плоским». И будете правы. Мы немного сжульничали, описывая, как устроен плоский тор. Если бы вы действительно попытались сделать тор из листа бумаги таким образом, вы бы столкнулись с определенными трудностями. Сделать цилиндр было бы легко, но заклеить концы цилиндра у вас бы не вышло: Бумага сминалась бы по внутреннему кругу тора и не растягивалась бы достаточно далеко по внешнему кругу. Вместо бумаги пришлось бы использовать какой-нибудь растягивающийся материал. Но это растяжение искажает длины и углы, меняя геометрию.
Внутри обычного трёхмерного пространства невозможно построить реальный, гладкий физический тор из плоского материала без искажения его геометрии. Но мы можем отвлечённо порассуждать о том, каково это — жить внутри плоского тора.
Представьте, что вы двумерное существо, чья вселенная — плоский тор. Поскольку геометрия этой вселенной происходит от плоского листа бумаги, все геометрические факты, к которым мы привыкли, такие же, только в маленьком масштабе: углы в треугольнике суммируются до 180 градусов и так далее. Но изменения, которые мы внесли в глобальную топологию путём вырезания и заклеивания, означают, что опыт пребывания в торе будет сильно отличаться от того, к чему мы привыкли.
Для начала, на торе есть прямые пути, которые изгибаются и возвращаются туда, откуда начинались:
Эти пути выглядят изогнутыми на искаженном торе, но обитателям плоского тора они кажутся прямыми. А так как свет распространяется по прямым путям, то если посмотрите прямо, то увидите себя сзади:
На листе бумаги свет, который вы видите, проходил сзади, пока не достигал левого края, а затем снова появился справа, как будто в видеоигре:
Можно представить это иначе. Например, вы (или луч света) пересекаете одну из четырёх границ, появляясь в том, что кажется новой «комнатой». Но на самом деле это та же самая комната, только увиденная с новой перспективы.
Это значит, что вы также можете видеть бесконечное множество различных копий себя, глядя в разных направлениях. Это своего рода эффект «Зеркального коридора», за исключением того, что копии вас не являются отражениями:
На пончике они соответствуют множеству различных колец, по которым свет может перемещаться от вас к вам:
Точно так же мы можем построить плоский трехмерный тор, приклеив противоположные стороны куба. Визуализировать это пространство как объект внутри обычного бесконечного пространства не получится, но мы можем абстрактно рассуждать о жизни внутри него.
Подобно тому, как жизнь в двухмерном торе была подобна жизни в бесконечном двухмерном массиве одинаковых прямоугольных комнат, жизнь в трёхмерном торе подобна жизни в бесконечном трёхмерном массиве одинаковых кубических комнат. Вы увидите бесконечно много копий себя:
Трёхмерный тор — всего лишь один из 10 различных плоских конечных миров. Существуют также плоские бесконечные миры, такие как трехмерный аналог бесконечного цилиндра. В каждом из этих миров существует разный набор зеркальных залов.
Является ли наша Вселенная одной из этих плоских форм?
Когда мы смотрим в космос, мы не видим бесконечно много копий себя. Тем не менее, на удивление трудно исключить эти плоские формы. Во-первых, они все имеют одну и ту же локальную геометрию, что и евклидово пространство, поэтому никакое локальное измерение не может различить их.
И если бы вы увидели копию себя, то это далёкое изображение показало бы, как вы (или ваша галактика, например) выглядели в далеком прошлом, так как свет должен был долго путешествовать, чтобы добраться до вас. Может быть, мы видим там неузнаваемые копии себя. Что ещё хуже, разные копии себя, как правило, находятся на разных расстояниях от вас, поэтому большинство из них будут выглядеть по-разному. И, возможно, они всё равно слишком далеко, чтобы мы могли их увидеть.
Чтобы обойти эти сложности, астрономы, как правило, ищут не копии самих себя, а повторяющиеся черты в самом дальнем из того, что мы можем видеть: космическое микроволновое фоновое (CMB) излучение, оставшееся после Большого взрыва. На практике это означает поиск пар кругов в реликтовом излучении, которые имеют совпадающие узоры горячих и холодных точек, что позволяет предположить, что это действительно один и тот же круг, который мы видим с двух разных точек.
В 2015 году астрономы провели именно такой анализ, используя данные с космического телескопа Планка. Они прочесали данные о видах совпадающих кругов, которые мы ожидали увидеть внутри плоского трехмерного тора или другой плоской трехмерной формы, называемой пластиной, но им не удалось их найти.
Это означает, что если мы действительно живем в торе, то он, вероятно, настолько велик, что любые повторяющиеся узоры лежат за пределами наблюдаемой вселенной.
Сферическая геометрия
Мы все знакомы с двумерными сферами — поверхностью шара, апельсина, Земли. Но что бы означало для нашей вселенной быть трёхмерной сферой?
Сложно представить себе трёхмерную сферу, но её легко описать с помощью простой аналогии. Подобно тому, как двумерная сфера — это совокупность всех точек на фиксированном расстоянии от некоторой центральной точки в обычном трёхмерном пространстве, так и трёхмерная сфера (или «трехсфера») — это совокупность всех точек на фиксированном расстоянии от некоторой центральной точки в четырёхмерном пространстве.
Жизнь в трёх сферах сильно отличается от жизни в плоском пространстве. Чтобы почувствовать это, представьте, что вы двухмерное существо, живущее в двухмерной сфере. Двухмерная сфера — это вся Вселенная — вы не можете видеть и не можете получить доступ ни к одному из окружающих трёхмерных пространств. Внутри этой сферической вселенной свет движется по кратчайшим путям: по большим кругам. Для вас эти большие круги кажутся прямыми линиями.
Теперь представьте, что вы и ваш двумерный друг тусуетесь на Северном полюсе, и ваш друг идет на прогулку. В то время как ваш друг прогуливается, вначале он будет становиться все меньше и меньше в вашем зрительном пространстве, так же, как и в нашем обычном мире (хотя он не будет уменьшаться так быстро, как мы привыкли). Это из-за того, что пока ваше зрительное пространство будет увеличиваться, ваш друг будет занимать все меньше и меньше места в нём:
Но как только друг проходит экватор, происходит что-то странное: он начинает казаться всё больше и больше, чем дальше уходит. Это потому, что процент, который он занимает в вашем зрительном пространстве, растёт:
Когда ваш друг будет в трёх метрах от Южного полюса, он будет выглядеть такими же большими, как и в трёх метрах от вас:
А когда он достигнет самого Южного полюса, его можно будет увидеть во всех направлениях, так что он заполнит весь ваш визуальный горизонт:
Если на Южном полюсе никого нет, то ваш визуальный горизонт — это нечто ещё более странное: вы сами. Всё потому, что свет, исходящий от вас, будет идти по всей сфере, пока не вернется к вам.
Это можно соотнести с жизнью в трёхмерной сфере. Каждая точка на трёхсфере имеет противоположную точку, и, если там есть объект, мы увидим его как фон, будто это небо. Если же там ничего нет, то вместо этого мы увидим самих себя в качестве фона – будто наш экстерьер был наложен на воздушный шар, затем вывернут наизнанку и надут, чтобы стать целым горизонтом.
Трёхсфера является фундаментальной моделью сферической геометрии, но это не единственное такое пространство. Подобно тому, как мы строили плоские пространства, вырезая кусок из евклидового пространства и склеивая его, мы можем строить сферические пространства, склеивая подходящий кусок из трех сфер. Каждая из этих склеенных форм, как и в торе, будет иметь эффект «лабиринта отражений», но в этих сферических формах есть только ограниченное количество комнат, через которые можно пройти.
Может ли наша Вселенная быть сферической?
Даже самые самовлюбленные люди не могут представить себя фоном всего ночного неба. Но, как и в случае с плоским тором, тот факт, что мы не видим какое-либо явление, не означает, что оно не может существовать. Окружность сферической вселенной может быть больше, чем размер обозримой вселенной, что делает фон слишком далёким, чтобы его можно было разглядеть.
Но в отличие от тора, сферическая вселенная может быть обнаружена с помощью чисто локальных измерений. Сферические формы отличаются от бесконечного евклидового пространства не только глобальностью топологии, но и тончайшей геометрией. Например, из-за того, что прямые линии в сферической геометрии представляют собой большие окружности, треугольники получаются более пухлые, чем их евклидовые аналоги, а сумма углов больше 180 градусов:
В сущности, измерение космических треугольников является основным способом, с помощью которого космологи проверяют, является ли Вселенная изогнутой. Для каждой горячей или холодной точки на космическом микроволновом фоне известны ее диаметр по горизонтали и расстояние от Земли, что образует три стороны треугольника. Мы можем измерить угол, под которым пятно скрывается в ночном небе — один из трёх углов треугольника. Затем проверить, подходит ли для плоской, сферической или гиперболической геометрии (в которой сумма углов треугольника больше 180 градусов) комбинация из длины сторон и измеренного угла.
Большинство таких исследований, наряду с другими измерениями кривизны, свидетельствуют о том, что Вселенная либо плоская, либо очень близка к плоской. Но одна исследовательская группа недавно заявила, что часть данных, полученных с помощью космического телескопа Планка в 2018 году, свидетельствуют о существовании сферической вселенной. Другие исследователи возражают против этого утверждения, полагая, что это скорее всего, статистическая случайность.
Гиперболическая геометрия
В отличие от сферы, которая изгибается сама по себе, гиперболическая геометрия раскрывается вовне. Это геометрия гибких шляп, коралловых рифов и седел. Базовая модель гиперболической геометрии – это бесконечное пространство, подобно плоскому евклидовому пространству. Но поскольку гиперболическая геометрия распространяется наружу намного быстрее, чем плоская, не существует способа поместить даже двумерную гиперболическую плоскость внутри обычного евклидового пространства, если только мы не хотим исказить его геометрию. Здесь, например, искажено представление о гиперболической плоскости, известной как диск Пуанкаре:
С нашей точки зрения, треугольники вблизи пограничного круга выглядят намного меньше, чем вблизи центра, но с точки зрения гиперболической геометрии все треугольники одинакового размера. Если бы мы попытались сделать треугольники одинакового размера – например, используя растягивающийся материал для нашего диска и увеличивая каждый треугольник по очереди, выходя наружу из центра, — наш диск стал бы похож на гибкую шляпу и сгибался бы все больше и больше по мере того, как мы прокладывали себе путь наружу. По мере приближения к границе, этот изгиб становился бы все более неконтролируемым.
С точки зрения гиперболической геометрии, граничная окружность бесконечно далека от любой внутренней точки, так как для этого нужно пересечь бесконечно много треугольников. Таким образом, гиперболическая плоскость простирается до бесконечности во всех направлениях, точно так же, как и евклидовая плоскость. Но с точки зрения локальной геометрии жизнь в гиперболической плоскости сильно отличается от того, к чему мы привыкли.
В простой евклидовой геометрии окружность прямо пропорциональна её радиусу, но в гиперболической геометрии окружность растет экспоненциально по сравнению с радиусом. Мы можем видеть экспоненциальное скопление в массах треугольников вблизи границы гиперболического диска.
Из-за этой особенности математики любят говорить, что в гиперболическом пространстве легко заблудиться. Если ваш друг уйдёт от вас в обычном евклидовом пространстве, он начнёт выглядеть меньше, но это будет происходить медленно, потому что ваш визуальный круг растёт не так стремительно. В гиперболическом пространстве ваш зрительный круг растёт в геометрической прогрессии, так что вскоре ваш друг будет выглядеть сжатым до экспоненциально мелкой точки. Если вы внимательно не отследили его маршрут, найти дорогу к нему будет практически невозможно.
А в гиперболической геометрии сумма углов треугольника составляет менее 180 градусов — например, треугольники в нашей плитке диска Пуанкаре имеют углы, составляющие 165 градусов:
Боковые стороны этих треугольников не выглядят прямыми, но это только потому, что мы смотрим на гиперболическую геометрию через искаженную линзу. Для жителя диска Пуанкаре эти кривые являются прямыми линиями, потому что самый быстрый способ добраться из точки A в точку B – срезать путь к центру:
Есть вполне закономерный способ изготовления трехмерного аналога диска Пуанкаре – просто сделайте трехмерный шар и заполните его трехмерными формами, которые становятся меньше по мере приближения к граничной зоне, как треугольники в диске Пуанкаре. И точно так же, как в плоской и сферической геометрии, мы можем сделать ряд других трехмерных гиперболических пространств, вырезая подходящий кусок трехмерного гиперболического шарика и склеивая его грани.
Может ли наша Вселенная быть гиперболической?
Гиперболическая геометрия, с ее узкими треугольниками и экспоненциально растущими кругами, не похожа на геометрию пространства вокруг нас. И действительно, как мы уже видели, большинство космологических измерений указывают на плоскую вселенную.
Но при этом возможность того, что мы живем либо в сферическом, либо в гиперболическом мире, не исключена, так как маленькие кусочки обоих этих миров выглядят почти плоскими. Например, малые треугольники в сферической геометрии имеют углы, которые составляют лишь чуть более 180 градусов, а малые треугольники в гиперболической геометрии имеют углы, которые составляют лишь чуть менее 180 градусов.
Неспроста древние люди считали, что Земля плоская – кривизна Земли была слишком мала, чтобы ее можно было обнаружить. Чем больше сферическая или гиперболическая форма, тем более плоская каждая маленькая деталь. Поэтому, если наша Вселенная имеет чрезвычайно большую сферическую или гиперболическую форму, то та часть, которую мы можем наблюдать, может быть настолько близка к плоской, что ее кривизна может быть обнаружена только с помощью сверхточных приборов, которые нам ещё только предстоит изобрести.
Что ещё полезного можно почитать в блоге Cloud4Y
Подписывайтесь на наш Telegram-канал, чтобы не пропустить очередную статью. Пишем не чаще двух раз в неделю и только по делу.
Космос
Вселенная – это огромнейшее и неисследованное место. Важно понимать, что на изучение конкретной темы или даже вопроса могут уходить десятки, а то и сотни лет. Существует миллион различных направлений, включающих сотни ответвлений. Чтобы вас не ошарашил такой информационный массив, мы предлагаем список тем, которые раскрывают информацию о Вселенной.
Большая часть научного сообщества соглашается с тем, что Вселенная плоская. Это основание базируется на показаниях прибора WMAP (изучение реликтового излучения). Но есть и те, кто не согласен. Не будем забывать, что не так давно все свято верили в плоскость Земли, так что в таких вопросах всегда остаются сомнения.
Конечно, вышеописанные сведения – всего лишь кратчайшее изложение, а вот детали вы узнаете по ссылкам. Каждая статья раскрывает интересующий вопрос и излагает все на понятном языке. Поэтому вам не придется тратить всю жизнь на изучение Вселенной, ведь ученые предоставили вам готовые сведения. Вы сможете больше узнать о Солнечной системе с описанием, характеристикой и качественными фото планет, а также изучить звезды, галактики, экзопланеты, туманности, звездные скопления, пульсары, квазары, черные дыры, созвездия, темную энергию и темную материю. Нужно лишь перейти по заинтересовавшей ссылке.
Строение Вселенной
Так что же такое Вселенная?
Некоторые даже не понимают, насколько сложным и масштабным выглядит вопрос: «Что такое Вселенная?». Можно потратить десятилетия на исследования и рассекретить лишь верхушку айсберга. Возможно, мы говорим не просто об огромном мире, но бесконечном. Поэтому нужно быть энтузиастом своего дела, чтобы погрузиться во все эти загадки, на расшифровку которых может уйти вся жизнь.
Что же такое Вселенная? Если емко, то это сумма всего существующего. Это все время, пространство, материя и энергия, образовавшиеся и расширяющиеся вот уже 13.8 миллиардов лет. Никто не может точно сказать, насколько обширны просторы нашего мира и пока нет точных предсказаний финала. Но исследования выдвигают множество теорий и пазл за пазлом собирают картинку.
Определение Вселенной
Само слово «Вселенная» происходит от латинского «universum». Впервые его использовал Цицерон, а уже после него оно стало общепринятым у римских авторов. Понятие обозначало мир и космос. На тот момент люди в этих словах видели Землю, все известные живые существа, Луну, Солнце, планеты (Меркурий, Венера, Марс, Юпитер и Сатурн) и звезды.
Геоцентрическая концепция Вселенной Птолемея, созданная Бартоломеу Велью
Иногда вместо «Вселенная» используют «космос», которое с греческого переводится как «мир». Кроме того, среди терминов фигурировали «природа» и «все». В современном понятии вмешают все, что существует во Вселенной – наша система, Млечный Путь и прочие структуры. Также сюда входят все виды энергии, пространство-время и физические законы.
Происхождение Вселенной
Как появился космос и все, что мы знаем? Вселенная берет свое начало 13.8 лет назад с Большого Взрыва. Это не единственное предположение (теория колеблющейся Вселенной или устойчивого состояния), но только ему удается объяснить появление всей материи, физических законов и прочих формирований. Теория также способна рассказать, почему происходит расширение, что такое реликтовое излучение и прочие известные явления.
Теория Большого Взрыва: сингулярность – стартовая точка, с последующим расширением
Ученые начали рассматривать Вселенную с настоящего момента и постепенно возвращались к стартовой точке. Отсюда выплыло предположение, что все началось с бесконечной плотности и исчисляемого времени, запустивших процесс расширения. После первого этапа температурные показатели упали, что помогло сформироваться субатомным частицам, а после них – простые атомы. Позже гигантские облака этих формирований соединились с гравитационными силами, порождая звезды и галактики.
Официальный возраст Вселенной – 13.8 миллиардов лет. Проводя тесты с ускорителями частиц, теоретическими принципами, а также исследуя небесные объекты, ученым удалось воссоздать этапы событий, чтобы вернуть нас с современности в мгновение начала всего.
Но наиболее отдаленный период Вселенной (от 10 43 до 10 11 секунд) все еще вызывает споры. Стоит учитывать, что современные физические законы к тому времени еще не применимы, поэтому никто не может понять, как повела себя Вселенная. Но все же есть сторонники некоторых теорий, которые помогли выделить главные временные промежутки вселенской эволюции: сингулярность, инфляция и охлаждение.
Графическое представление сингулярности Вселенной
Сингулярность (эпоха Планка) – самый ранний период Вселенной. На этом этапе материя была собрана в одной точке бесконечной плоскости, где царствовали экстремальные температурные режимы. В физическом плане доминирует исключительно сила гравитации.
Это время длилось от 0 до 10 43 секунд. Свое второе название эпоха получила в честь Планка, потому что лишь эта обсерватория способна проникнуть в такой промежуток. Вселенная была лишенной устойчивости, потому что вещество было не просто невероятно накаленным, но и сверхплотным. По мере расширения и снижения накаленности, возникли физические законы. С 10 43 до 10 36 секунды запустился температурный переход.
Это началось с 10 37 секунд, когда выделение сил привело к экспоненциальному росту. В этот промежуток стартует барионегез – гипотетическое событие, характеризующееся настолько высокими температурными показателями, что случайные движения частиц осуществлялись на релятивистских скоростях. При столкновениях они создавались и уничтожались. Полагают, что именно из-за этого материя преобладает над антиматерией.
Когда инфляция подошла к концу, пространство представляло собою кварк-глюонную плазменную структуру и прочие элементарные частички. С остыванием материя сливалась и формировала новые структуры. Период охлаждения наступил с уменьшением температуры и плотности. В этом процессе элементарные частички и фундаментальные силы приобрели современный вид.
Есть мнение, что через 10 11 секунд энергия стремительно снизилась. Еще спустя 10 6 секунд кварки и глюоны объединились в барионы, что привело к их переизбытку. Температура больше не достигала необходимой отметки, поэтому у протонов-антипротонов исчезла возможность формировать новые пары. Произошла массовая аннигиляция, оставившая лишь 10 10 изначального их количества. То же самое случилось и для электронов и протонов спустя секунду.
Оставшиеся протоны, электроны и нейтроны оставались статичными, поэтому вселенская плотность обеспечивалась только фотонами и нейтрино. Прошло еще несколько минут, и начался нуклеосинтез.
Температура остановилась на отметке в миллиард кельвинов, а плотность уменьшилась. Поэтому протоны и нейтроны начали сливаться, формируя изотоп водорода (дейтерий) и атомы гелия. Но большая часть протонов все же оставалась «одиночной».
Эволюция Вселенной
Как происходил процесс развития и эволюции Вселенной? В течение следующих миллиардов лет гравитация заставила более плотные области притягиваться. В этом процессе формировались газовые облака, звезды, галактические структуры и прочие небесные объекты. Этот период именуют Структурной Эпохой, так как именно в этот временной отрезок зарождалась современная Вселенная. Видимое вещество распределялось на различные формирования (звезды в галактики, а те в скопления и сверхскопления).
Если говорить о деталях процесса, то они зависят количества и разновидности материи. Можно выделить 4 типа темной: холодная, теплая, горячая и барионная. Из них стандартной считается Лямбда-CDM (холодная темная материя). В ней частички перемещаются со скоростью, уступающей скорости света.
Она составляет 23% вселенской материи, а барионная достигает лишь 4.6%. Лямбда дает отсылку к космологической константе, созданной Альбертом Эйнштейном. Она доказывала, что равновесие массы-энергии остается в статике.
Этапы эволюции Вселенной. Нажмите на изображение, чтобы его увеличить
Также связана с темной энергией, послужившей причиной ускорения Вселенной и оставляющей ее структуру однородной. Темную энергию нельзя увидеть напрямую, но ее наличие доказывают многочисленные теории. Считается, что 73% пространства насыщено ею.
Гравитация преобладала над всеми процессами еще на ранних этапах, когда барионное вещество располагалось ближе. Но темная энергия росла и стала доминирующей силой. Это привело к ускорению всех процессов и старту Эпохи Ускорения.
Считают, что это время началось 5 миллиардов лет назад. Этот период описывает в своих уравнениях Эйнштейн, хотя все же настоящая природа темной материи еще не раскрыта. Кроме того, все еще не придумали схем, способных объяснить, что произошло во Вселенной до 10 15 секунд после возникновения всего.
Однако ученые не теряют надежды и экспериментируют с Большим адронным коллайдером, пытаясь воссоздать необходимые условия для Большого Взрыва. Прорыв в этой области поможет понять, как гравитация взаимодействует со слабой и сильной ядерными силами, а также электромагнетизмом.
Структура Вселенной
Хотя старейший свет достигает 13.8 миллиардов световых лет (реликтовое излучение) это не реальные размеры Вселенной. Не будем забывать, что вот уже миллиарды лет пространство расширяется со скоростью выше скорости света. Именно из-за этого нам не удается увидеть край (если он есть).
Полагают, что Вселенная простирается на 91 миллиардов лет (29 миллиардов парсек) в диаметре. А это значит, что в любую сторону от нашей системы нам доступно 46 миллиардов световых лет наблюдения. Однако, мы все еще не знаем истинного размера космического пространства, так что есть вариант, что Вселенная не имеет границы.
Диаграмма Вселенной Лямбда-CBR (от Большого Взрыва к нашей эре).
Вещество распределяется в соотношении со структурами. Если брать галактические пределы, то мы видим планеты, звезды и туманности, чередующиеся с пустыми участками. Даже если увеличивать картинку, то сама суть остается той же. Галактики отделены газовыми и пылевыми участками. На высшем уровне мы видим сверхскопления, формирующиеся в нити, разделенные гигантскими космическими пустотами.
Пространство-время способно существовать в одной из трех конфигураций: положительно-изогнутая, отрицательно-изогнутая и плоская. Подобные виды основываются на 4 измерениях (координаты x, y, z и время) и зависят от космического расширения (повлияет бесконечность или конечность пространства).
Положительно-изогнутая представляет собою четырехмерную сферу. У нее есть конец, но не виден резкий край. Отрицательно-изогнутую еще называют открытой, потому что напоминает седло, у которого нет границ. Нижний рисунок демонстрирует возможные варианты форм Вселенной.
Возможные формы наблюдаемой Вселенной.
В первом случае, расширение Вселенной должно было остановиться из-за огромного количества энергии. Во втором ее слишком мало, чтобы остановить его. А в последнем – критическое число энергии заставило бы расширение остановиться, но через бесконечное время.
Что ждет Вселенную?
Если мы знаем о наличии стартовой точки, то нас должен волновать и финиш. Что же нас ждет? Вечное расширение? Или же возвращение в компактный первородный шарик? Как умрет Вселенная? Эти вопросы возродились, когда велись дискуссии об истинной модели Вселенной. В 1990-х годах научное сообщество определилось с Большим Взрывом, создав два возможных варианта конца.
Познакомьтесь с Большим Сжатием. Вселенная продолжит разрастаться до максимального объема, а затем запустит процесс саморазрушения. Это возможно, если массовая плотность превышает критическую. Если же это значение такое же или ниже, тогда в игру вступает Большое Замораживание. Пространство также продолжит расширяться, пока звезды не смогут поддерживать процесс формирования (израсходуется весь газ). Все уже существующие звезды сгорели бы и трансформировались в белых карликов, а нейтронные – в черные дыры.
Возможные варианты конца Вселенной
Конечно, черные дыры стали бы притягиваться, порождая настоящих гигантских монстров. Средняя температура пространства достигла бы абсолютного нуля, и черные дыры испарились. Энтропия вырастет до такой степени, что запустит сценарий тепловой смерти, когда уже просто невозможно извлечь никакой организованной формы энергии.
Есть также теория фантомных энергий. Она полагает, что галактические скопления, планеты, звезды, ядра и даже материя разорвутся из-за расширения. Такой исход называют Большим разрывом.
История изучения Вселенной
Если говорить в общем, то природу вещей изучают еще с начала времен. Наиболее ранние известия о Вселенной представлены в мифах и передавались устно. По большей части все начинается с момента творения, за которое ответственен Бог или боги.
Астрономия появилась в Древнем Вавилоне. Созвездия и календари фигурируют у них еще 2000 лет до н.э. Более того, им даже удалось создать предсказания на последующую тысячу лет. Греческие и индийские ученые подходили к вопросам Вселенной с философской стороны, сосредотачиваясь не на божественном вмешательстве, а на причине и следствии. Можно вспомнить Фалеса и Анаксимандра, утверждавших, что все появилось из первозданной материи.
Эмпедокл (5-й век до н.э.) стал первым в западном мире, кто предположил, что Вселенная представлена землей, воздухом, водой и огнем. Эта система стала очень популярной среди философов, так как сильно походила на китайскую: металл, дерево, вода, огонь и земля.
Ранняя атомная теория утверждала, что разные материалы состоят из атомов различной формы
Только с Демокритом приходит теория о неразделимых частицах (атомов), из которых и состоит пространство. Ее продолжил философ из Индии по имени Канада, считавший, что свет и тепло являются одним веществом, просто представленным в разных формах. Буддийский философ Дигнана еще более продвинулся, заявив, что вся материя – энергия.
Идея о конечности времени вошла в христианство, иудаизм и ислам. Они верили, что у Вселенной есть начало и конец. Космология продолжала развиваться, и греки выдвигают геоцентрическую модель, которая гласит, что в центре всего стоит Земля, вокруг которой вращаются небесные тела. Детальнее всего это описано в «Альмагесте» Птолемеем. Это станет каноном и продлится до Средневековья.
Сравнение геоцентрической и гелиоцентрической моделей Вселенной
Еще до периода научной революции (16-18 века) появлялись ученые, считавшие, что в основе всего должна стоять гелиоцентрическая модель, где в центре нашей системы расположено Солнце. Среди них фигурируют Аристарх Самосский (310-230 гг. до н.э.) и Селевк (190-150 гг. до н.э.).
Хотя в индийские, персидские и арабские философы развивали идеи Птолемея, находились и революционеры. Например, Ас-Сиджизи или Ариабхата. В 16-м веке появляется Николай Коперник. Его заслуга в том, что он выдвинул концепцию гелиоцентрической модели и обосновал доказательства ее верности. Они основывались на 7 принципах:
Титульный лист «Диалога» (1632)
Более расширенная версия его идей появилась в 1532 году, когда дописал «О вращении небесных сфер». В рукописи фигурировали те же аргументы, но уже подкрепленные научными доводами и примерами. Но автор переживал, что его начнут преследовать со стороны церкви и работа увидела свет лишь в 1542 году после его смерти.
За его идеи взялись ученые 16-17-х веков. Особой заслуги достоин Галилео Галилей. При помощи своего нового изобретение (телескоп) он впервые взглянул на Луну, Солнце и Юпитер, которые не вписывались в геоцентрическую модель, зато соответствовали гелиоцентрической.
В начале 17-го века его записи опубликовали. Интересными были наблюдения кратерной поверхности Луны, а также детализация крупнейших спутников Юпитера и выявление солнечных пятен. Не обошел он стороною и Млечный Путь, который до этого считался туманностью. Галилей увидел, что перед ним множество плотно расположенных звезд.
В 1632 году он выступил за гелиоцентрическую модель в трактате «Диалог о двух системах мира». Его аргументы разбили верования Птолемея и Аристотеля. Дальнейшему укреплению способствовала теория Иоганна Кеплера об эллиптических орбитах планет. Дальше появляется Исаак Ньютон, создавший теорию всемирного тяготения. В трактате 1687 года он описал три закона движения:
Демонстрация дистанции между планетами в Солнечной системе
Все вместе эти принципы описывали связь между объектом, воздействующими силами и движением. Это стало основой для классической механики. С их помощью Ньютон определил массы планет, выравнивание Земли на полюсах и выпуклость на экваторе, а также то, что сила тяжести между Солнцем и Луной создает приливы на Земле.
Следующий прорыв произошел в 1755 году. Иммануил Кант выдвигает идею, что Млечный Путь – огромная звездная коллекция, скрепленная общей гравитацией. Звезды вращаются, формируя сплющенный диск, а Солнечная система расположена внутри него.
В 1785 году Уильям Гершель хотел вычислить форму галактики, но он не догадался, что большая ее часть скрыта за пылью и газом. Пришлось ждать 20-го века и появления Эйнштейна с его Специальной и Общей теориями относительности. Началось с того, что он просто хотел решить законы ньютоновской механики законами электромагнетизма. В 1905 году появилась Специальная теория относительности.
Она утверждала, что скорость света одинакова для всех инерциальных систем координат. Но это вступало в противоречие с предыдущим мнением (свет, проходящий сквозь движущуюся среду, будет следовать вдоль среды, то есть, скорость света равняется сумме скорости прохода сквозь среду и скорость самой среды).
Получается, что эта теория сделала так, что среда вообще оказалась лишней. В 1907-1911х гг. Эйнштейн думал, как применить теорию к гравитационным полям. В итоге, он создал Общую теорию относительности (время относится к наблюдателю и зависит от его расположения в гравитационном поле).
Здесь же появляется принцип эквивалентности – гравитационная масса равняется инерционной массе. Он также предсказал замедление гравитационного времени, существование черных дыр и расширение Вселенной.
В 1915 году появляется радиус Шварцшильда – точка, в которой масса сферы будет так сильно сжата, что скорость ухода с поверхности приравнивается к скорости света (является результатом решения уравнение поля Эйнштейна). В 1931 году Субраманьян Чандрасекар использовал наработки Эйнштейна, чтобы понять, что если масса не вращающегося тела вырожденного электрона выше определенной отметки, то оно само рухнет.
В 1929 году Эдвин Хаббл подтвердил, что Вселенная расширяется. Для этого он замерил красное смещение, в котором галактики отходили от Млечного Пути. Кроме того, сумел продемонстрировать, что чем дальше галактика, тем быстрее скорость отдаления.
В 1931 году Жорж Леметр независимо подтвердил расширение и предположил, что Вселенная началась с маленького объекта (зарождение теории Большого Взрыва). То есть, в определенный момент вся масса была сконцентрирована в одной крошечной точке. Эта идея вызвала бурные споры в 1920-1930-х годах, так как все еще были сторонники статичной Вселенной.
Но споры разрешились в 1965 году, когда обнаружили реликтовое излучение. В это же время появляется предположение, что темная материя является недостающей массой Вселенной. Расширили понимание Вселенной наработки Стивена Хокинга и остальных физиков, подтвердивших вариант Большого Взрыва.
В 1990-х годах все силы тратились на попытку разобраться в темной энергии. Ее появление помогло объяснить, почему пространство продолжает ускоряться. Естественно, эпоха новых телескопов позволила впервые заглянуть в глубины космоса, а значит и в прошлое (определение возраста и плотности материи).
Результаты 2016 года показывают, что скорость расширения Вселенной выше, чем полагали ранее, а значит, и постоянная Хаббла увеличилась на 5-9%. Появление телескопа нового поколения Джеймс Уэбб позволит совершить дальнейшие прорывы в изучении Вселенной.
Кажется, что человечество серьезно продвинулось в исследовании мира. Но проблема в том, что мы лишь приоткрыли дверь и с удивлением смотрим на все эти чудеса, многим из которых все еще нет объяснения. Поэтому нас ожидает еще множество открытий и сюрпризов.