Как выглядит наша вселенная. Структура вселенной

Книга «Вселенная. Руководство по эксплуатации» - идеальный путеводитель по самым важным - и, конечно, самым упоительным - вопросам современной физики: «Возможны ли путешествия во времени?», «Существуют ли параллельные вселенные?», «Если вселенная расширяется, то куда она расширяется?», «Что будет, если, разогнавшись до скорости света, посмотреть на себя в зеркало?», «Зачем нужны коллайдеры частиц и почему они должны работать постоянно? Разве в них не повторяют без конца одни и те же эксперименты?». Юмор, парадоксальность, увлекательность и доступность изложения ставят эту книгу на одну полку с бестселлерами Г. Перельмана, С. Хокинга, Б. Брайсона и Б. Грина! Настоящий подарок для всех, кого интересует современная наука, - от любознательного старшеклассника до его любимого учителя, от студента-филолога до доктора физико-математических наук!

Что за ними, не видно, но мы знаем, как выглядит Вселенная сейчас и как она выглядела в каждый момент времени с ранних стадий до сегодняшнего дня, поэтому можем догадаться, что находится за этой космической шторой. Так и подмывает за нее заглянуть, правда?

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

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

Пытливые умы ученых-энтузиастов бьются над решением загадочных явлений, придумывают теории, проводят исследования и наблюдения… Пожалуй, одной из самых интересных и многообещающих тем является космос и все, что с ним связано. И чем дальше заглядывает человечество в него, тем интереснее найти ответы на все большее число вопросов.

Мы пытаемся изучить Вселенную настолько, насколько это позволяют современные технологии. Но самые современные телескопы имеют определенные пределы, заглянуть за которые при помощи технических средств просто невозможно. Тогда человек подключает свое воображение и начинает домысливать имеющиеся факты.

Где заканчивается Вселенная? При этом это не философский и не риторический вопрос, а самый настоящий научный. Ответить на него односложно и точно, не имея достаточной базы, нельзя. Можно только, основываясь на уже доказанных теориях и имеющихся фактах, делать определенные выводы и фантазировать…

Происхождение Вселенной, галактик, звезд и даже нашей планеты описано теорией Большого Взрыва. Это событие случилось порядка 13,8 миллиардов лет назад и является моментом рождения Вселенной в том виде, в котором мы её себе представляем. При этом не стоит думать, что до этого Вселенная представляла собой пустоту. Напротив, по мере того, как энергия пространства росла, приближаясь к взрыву, менялось и само пространство.

Как выглядит край Вселенной?

Предполагаемая зона Большого Взрыва – сфера радиусом чуть больше 46 световых лет. Но это граница весьма условна и, конечно, не является границей космоса. Но что находится за ней?

Исследователи полагают, что там находится такой же участок Вселенной, который мы наблюдаем. За исключением деталей, которые можно назвать местными – расположение галактик и звезд, особенности систем.

Исходя из этого становится понятно, что увидеть пресловутый «край Вселенной» невозможно, как нельзя объять необъятное.

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

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

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

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

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

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

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

Откуда появилась Вселенная?

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

Циклические модели

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

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

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

Другие модели возникновения Вселенной

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

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

Итоги

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

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

Как же выглядит наша Вселенная?

Всякий раз, когда мы поднимаем голову рассматривая звёздное небо, невольно возникают вопросы: как далеко от нас находятся все эти звёзды, а что там дальше за ними, есть ли край всему этому и как это всё устроено, как же выглядит Вселенная . В каком месте во Вселенной находится наше Солнце, Земля и другие планеты нашей Солнечной системы. Можно ли представить себе, и с чем сравнить эти расстояния и размеры, чтобы наш разум смог понять как выглядит Вселенная?

Человеческий разум, прекрасно воспринимает привычные масштабы. Наш мозг понимает, что такое за день проехать восемьдесят километров, а как на счёт трёхсот тысяч, многие люди никогда не ездили со скоростью 150 км.ч. , а как на счёт ста миллионов. Такие цифры как миллионы и миллиарды многие даже не могут представить. Как же нам изучить и понять как выглядит Вселенная, если мы не можем представить себе её огромных масштабов. Необходимо создать модель Вселенной в масштабе, потому, что она будет нам понятного размера.

Масштабы во Вселенной.

1. И так поехали. Вот наш дом. Земля со своими необъятными пространствами: глубокими морями, и высокими горами, бескрайними равнинами и многочисленными городами. Но всё таки она лишь песчинка в космосе.

2. А это район в котором находится наша планета.

3. Это расстояние между Землёй и Луной которое составляет 384, 400 тыс. км. Оно кажется не очень большим, не так ли?

4. А теперь давайте посмотрим, как в это расстояние могут уместиться все планеты Солнечной системы. Правда же впечатляет.

5. А вот так смотрятся земные материки на Юпитере.

6. Так выглядит комета на фоне большого города.

7. Но это ничто по сравнению с тем, как выглядит наша Земля рядом с Солнцем.

8. Посмотрим теперь, насколько мало и ничтожно наше Солнце по сравнению с другими звёздами. Самая большая звезда VY Большого Пса.

9. А насколько велик ? Eсли Солнце уменьшить до размеров белой клетки крови, а затем уменьшить Млечный Путь, используя тот же масштаб, то галактика будет иметь размеры России.

10. Тем не менее, даже весь Млечный Путь выглядит карликом по сравнению с . Эта галактика ІС 1011, которая находится в 350 миллионах Световых лет от Земли.

11. А на этом фото, сделанным телескопом Хаббл , изображены тысячи галактик.

С масштабами мы разобрались, а теперь рассмотрим модель Вселенной.

Модель - как выглядит наша Вселенная

1. Вот мы в Солнечной системе.

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

II. Как выглядит край Вселенной?

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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