Знаете ли, че Вселената, която наблюдаваме, има доста определени граници? Свикнали сме да свързваме Вселената с нещо безкрайно и неразбираемо. Въпреки това съвременната наука на въпроса за „безкрайността“на Вселената предлага съвсем различен отговор на такъв „очевиден“въпрос.
Според съвременните концепции размерът на наблюдаваната вселена е приблизително 45,7 милиарда светлинни години (или 14,6 гигапарсеса). Но какво означават тези числа?
Границата на безграничното
Първият въпрос, който идва на ум на обикновен човек, е как Вселената изобщо не може да бъде безкрайна? Изглежда безспорно, че контейнерът на всичко, което съществува около нас, не трябва да има граници. Ако тези граници съществуват, какви са те?
Да речем, че някакъв астронавт лети до границите на Вселената. Какво ще види пред себе си? Солидна стена? Пожарна бариера? И какво се крие зад това - празнота? Друга Вселена? Но може ли празнотата или друга Вселена да означава, че сме на границата на Вселената? В крайна сметка това не означава, че няма "нищо". Пустотата и другата Вселена също са „нещо“. Но Вселената е нещо, което съдържа абсолютно всичко „нещо“.
Стигаме до абсолютно противоречие. Оказва се, че границата на Вселената трябва да крие от нас нещо, което не трябва да бъде. Или границата на Вселената трябва да огражда „всичко“от „нещо“, но това „нещо“също трябва да бъде част от „всичко“. Като цяло пълен абсурд. Тогава как учените могат да твърдят за ограничаващия размер, маса и дори възраст на нашата Вселена? Тези стойности, макар и невъобразимо големи, все още са ограничени. Науката спори с очевидното? За да се справим с това, нека първо да проследим как хората стигнаха до съвременното разбиране на Вселената.
Промоционално видео:
Разширяване на границите
От незапомнени времена човекът се интересува какъв е светът около тях. Не е необходимо да се дават примери за трите кита и други опити на древните да обяснят вселената. Като правило в крайна сметка всичко се свеждаше до факта, че основата на всичко, което съществува, е земната небеса. Още в древността и средновековието, когато астрономите са имали обширни познания за законите, управляващи движението на планетите по „неподвижната“небесна сфера, Земята остава център на Вселената.
Естествено, дори в Древна Гърция е имало такива, които са вярвали, че Земята се върти около Слънцето. Имаше такива, които говориха за многото светове и безкрайността на Вселената. Но конструктивното обосноваване на тези теории възниква едва на върха на научната революция.
През 16 век полският астроном Николай Коперник прави първия голям пробив в разбирането на Вселената. Той категорично доказа, че Земята е само една от планетите, обикалящи около Слънцето. Подобна система значително опрости обяснението на такова сложно и сложно движение на планетите в небесната сфера. В случай на неподвижна земя астрономите трябваше да измислят всякакви гениални теории, за да обяснят това поведение на планетите. От друга страна, ако Земята се счита за подвижна, обяснението за такива сложни движения идва естествено. Ето как в астрономията е установена нова парадигма, наречена „хелиоцентризъм“.
Много слънца
Въпреки това, дори след това, астрономите продължиха да ограничават Вселената до „сферата на неподвижните звезди“. До 19 век те не можеха да преценят разстоянието до звездите. В продължение на няколко века астрономите напразно се опитват да открият отклонения в положението на звездите спрямо орбиталното движение на Земята (годишни паралакси). Инструментите от онези времена не позволявали толкова точни измервания.
Вега, заснета от ESO
Накрая през 1837 г. руско-немският астроном Василий Струве измерва паралакса α на Лира. Това бе знак за нова стъпка в разбирането на мащаба на космоса. Сега учените спокойно биха могли да кажат, че звездите са далечни прилики със Слънцето. И оттук нататък нашето светило не е център на всичко, а равен „обитател“на безкрайния звезден куп.
Астрономите още повече се доближиха до разбирането на мащаба на Вселената, защото разстоянията до звездите се оказаха наистина чудовищни. Дори размерът на орбитите на планетите изглеждаше незначителен в сравнение с това. Тогава беше необходимо да се разбере как звездите са концентрирани във Вселената.
Много млечен път
Известният философ Имануел Кант предвижда основите на съвременното разбиране за мащабната структура на Вселената още през 1755г. Той предположи, че Млечният път е огромен въртящ се куп звезди. От своя страна много от наблюдаваните мъглявини са и по-далечни „млечни пътища“- галактики. Въпреки това, до 20 век астрономите се придържат към факта, че всички мъглявини са източници на образуване на звезди и са част от Млечния път.
Ситуацията се промени, когато астрономите научиха как да измерват разстоянията между галактиките, използвайки цефеиди. Абсолютната светимост на звездите от този тип е строго зависима от периода на тяхната променливост. Сравнявайки абсолютната им светимост с видимата, е възможно да се определи разстоянието до тях с висока точност. Този метод е разработен в началото на 20-ти век от Ейнар Херцрунг и Харлоу Шелпи. Благодарение на него съветският астроном Ернст Епик през 1922 г. определя разстоянието до Андромеда, което се оказва с порядък по-голям от размера на Млечния път.
Едвин Хъбъл продължи начинанието на Епик. Като измерва яркостта на Цефеиди в други галактики, той измерва разстоянието до тях и го сравнява с червеното изместване в техните спектри. Така през 1929 г. той разработва своя известен закон. Работата му окончателно опровергава установеното убеждение, че Млечният път е ръбът на Вселената. Сега тя беше една от многото галактики, които някога се смятаха за неразделна част от нея. Хипотезата на Кант е потвърдена почти два века след неговото развитие.
По-късно връзката между разстоянието на галактиката от наблюдателя и скоростта на нейното отстраняване от наблюдателя, открита от Хъбъл, даде възможност да се състави пълна картина на мащабната структура на Вселената. Оказа се, че галактиките са само мъничка част от нея. Те се свързват в клъстери, клъстери в суперкластери. От своя страна, суперкластерите се сгъват в най-големите известни структури във Вселената - нишки и стени. Тези структури, съседни на огромни супервоиди (празнини), съставляват мащабната структура на известната в момента вселена.
Явна безкрайност
От гореизложеното следва, че само за няколко века науката постепенно прескочи от геоцентризма към модерното разбиране на Вселената. Това обаче не дава отговор на въпроса защо ние ограничаваме Вселената в наши дни. В крайна сметка досега ставаше въпрос само за мащаба на Космоса, а не за самата му природа.
Еволюция на Вселената
Първият, който реши да оправдае безкрайността на Вселената, беше Исак Нютон. Откривайки закона на универсалната гравитация, той вярваше, че ако пространството е ограничено, всичките й тела рано или късно ще се слеят в едно цяло. Преди него, ако някой изрази идеята за безкрайността на Вселената, тя беше изключително във философски ключ. Без никаква научна обосновка. Пример за това е Giordano Bruno. Между другото, подобно на Кант, той изпреварваше науката с много векове. Той беше първият, който заяви, че звездите са далечни слънца, а около тях се въртят и планети.
Изглежда, че самият факт на безкрайността е доста оправдан и очевиден, но повратните моменти на науката от 20-ти век разтърсиха тази „истина“.
Стационарна вселена
Алберт Айнщайн направи първата значителна стъпка към развитието на модерен модел на Вселената. Известният физик представи своя модел на неподвижна вселена през 1917г. Този модел се основава на общата теория на относителността, която той разработва същата година по-рано. Според неговия модел Вселената е безкрайна във времето и ограничена в пространството. Но, както бе отбелязано по-рано, според Нютон, вселена с ограничени размери трябва да се разпадне. За да направи това, Айнщайн въведе космологична константа, която компенсира гравитационното привличане на отдалечени обекти.
Колкото и парадоксално да звучи, Айнщайн не ограничи самата крайност на Вселената. Според него Вселената е затворена обвивка на хиперсфера. Аналогия е повърхността на обикновена триизмерна сфера, например кълбо или Земята. Колкото и пътешественик да обиколи Земята, той никога няма да стигне до нейния ръб. Това обаче изобщо не означава, че Земята е безкрайна. Пътешественикът просто ще се върне на мястото, където е започнал своето пътуване.
На повърхността на хиперсферата
По същия начин космическият скитник, преодолявайки вселената на Айнщайн на звезден кораб, може да се върне обратно на Земята. Само този път скитникът ще се движи не по двумерната повърхност на сферата, а по триизмерната повърхност на хиперсферата. Това означава, че Вселената има краен обем, а оттам и краен брой звезди и маса. Вселената обаче няма граници или център.
Бъдещето на Вселената
Айнщайн стигна до такива заключения, като свързва пространството, времето и гравитацията в своята известна теория. Преди него тези понятия се смятаха за отделни, поради което пространството на Вселената беше чисто евклидово. Айнщайн доказа, че гравитацията сама по себе си е кривина на космическото време. Това промени коренно ранното разбиране за същността на Вселената, основаващо се на класическата нютонова механика и евклидовата геометрия.
Разширяване на Вселената
Дори самият откривател на „новата Вселена“не беше непознат за заблудата. Въпреки че Айнщайн ограничава Вселената в космоса, той продължава да го счита за статичен. Според неговия модел Вселената е била и остава вечна, а размерът й винаги остава един и същ. През 1922 г. съветският физик Александър Фридман значително разширява този модел. Според неговите изчисления Вселената изобщо не е статична. Тя може да се разшири или свие във времето. Прави впечатление, че Фридман стигна до такъв модел, основан на същата теория на относителността. Той беше в състояние по-правилно да приложи тази теория, заобикаляйки космологичната константа.
Алберт Айнщайн не прие веднага това „изменение“. Споменатото по-рано откритие на Хъбъл е на помощ на този нов модел. Разсейването на галактиките безспорно доказа факта на разширяването на Вселената. Затова Айнщайн трябваше да признае грешката си. Сега Вселената имаше определена възраст, която строго зависи от константата на Хъбъл, която характеризира скоростта на нейното разширяване.
По-нататъшно развитие на космологията
Докато учените се опитаха да разрешат този въпрос, бяха открити много други важни компоненти на Вселената и бяха разработени различни модели. Така през 1948 г. Георги Гамов въвежда хипотезата „за гореща Вселена“, която по-късно ще се превърне в теорията за големия взрив. Откриването през 1965 г. на реликвата радиация потвърди неговите предположения. Астрономите вече можеха да наблюдават светлината, която идваше от момента, в който Вселената стана прозрачна.
Тъмната материя, прогнозирана през 1932 г. от Фриц Цвики, е потвърдена през 1975 г. Тъмната материя всъщност обяснява самото съществуване на галактики, галактически клъстери и самата Вселена като цяло. Така учените научиха, че по-голямата част от масата на Вселената е напълно невидима.
От какво е изградена Вселената
И накрая, през 1998 г., по време на проучване на разстоянието до типа свръхнови Ia, беше открито, че Вселената се разширява с ускорение. Този следващ повратен момент в науката породи съвременното разбиране за природата на Вселената. Космологичният коефициент, въведен от Айнщайн и опроверган от Фридман, отново намери своето място в модела на Вселената. Наличието на космологичния коефициент (космологична константа) обяснява неговото ускорено разширяване. За да се обясни наличието на космологична константа, беше въведено понятието тъмна енергия - хипотетично поле, съдържащо по-голямата част от масата на Вселената.
Настоящият модел на Вселената също се нарича ΛCDM модел. Буквата "Λ" обозначава наличието на космологична константа, която обяснява ускореното разширяване на Вселената. CDM означава, че Вселената е изпълнена със студена тъмна материя. Последните проучвания показват, че константата на Хъбъл е около 71 (км / с) / Mpc, което съответства на възрастта на Вселената 13,75 милиарда години. Познавайки епохата на Вселената, човек може да прецени размера на наблюдаваната си област.
Еволюция на Вселената
Според теорията на относителността информация за всеки обект не може да достигне наблюдателя със скорост, по-голяма от скоростта на светлината (299792458 км / с). Оказва се, че наблюдателят вижда не просто обект, а неговото минало. Колкото по-далече е обектът от него, толкова по-далечно минало изглежда. Например, гледайки Луната, виждаме какво е било преди малко повече от секунда, Слънцето - преди повече от осем минути, най-близките звезди - години, галактиките - преди милиони години и т.н. В стационарния модел на Айнщайн Вселената няма възрастова граница, което означава, че наблюдаваният й регион също не е ограничен от нищо. Наблюдателят, въоръжен с все по-модерни астрономически инструменти, ще наблюдава все повече и по-далечни и древни обекти.
Имаме различна картина със съвременния модел на Вселената. Според нея Вселената има епоха, а следователно и граница на наблюдение. Тоест, от раждането на Вселената никой фотон не би имал време да измине разстояние, по-голямо от 13,75 милиарда светлинни години. Оказва се, че можем да заявим, че наблюдаваната Вселена е ограничена от наблюдателя от сферичен регион с радиус 13,75 милиарда светлинни години. Това обаче не е съвсем вярно. Не забравяйте за разширяването на пространството на Вселената. Докато фотонът достигне до наблюдателя, обектът, който го е излъчил, ще бъде на 45,7 милиарда sv от нас. години. Този размер е хоризонтът на частиците и е границата на наблюдаваната Вселена.
И така, размерът на наблюдаваната Вселена е разделен на два вида. Видим размер, наричан още радиус на Хъбъл (13,75 милиарда светлинни години). И истинският размер, наречен хоризонт на частиците (45,7 милиарда светлинни години). По същество и двата хоризонта изобщо не характеризират реалния размер на Вселената. Първо, те зависят от позицията на наблюдателя в космоса. Второ, те се променят във времето. В случая на ΛCDM модел хоризонтът на частиците се разширява със скорост, по-голяма от хоризонта на Хъбъл. На въпроса дали тази тенденция ще се промени в бъдеще, съвременната наука не дава отговор. Но ако приемем, че Вселената продължава да се разширява с ускорение, тогава всички онези обекти, които виждаме сега, рано или късно, ще изчезнат от нашето „зрително поле“.
В момента най-далечната светлина, наблюдавана от астрономите, е микровълновото фоново лъчение. Вглеждайки се в нея, учените виждат Вселената, тъй като е била на 380 хиляди години след Големия взрив. В този момент Вселената се е охладила толкова много, че успя да излъчи безплатни фотони, които днес са заснети с помощта на радио телескопи. В онези дни във Вселената не е имало звезди или галактики, а само солиден облак от водород, хелий и незначително количество други елементи. От нехомогенностите, наблюдавани в този облак, впоследствие ще се образуват галактически струпвания. Оказва се, че точно тези обекти, които са формирани от нехомогенностите на реликтовото лъчение, са разположени най-близо до хоризонта на частиците.
Истински граници
Независимо дали Вселената има верни, незабележими граници, все още е обект на псевдонаучни предположения. По един или друг начин всички се сближават в безкрайността на Вселената, но те интерпретират тази безкрайност по съвсем различни начини. Някои смятат Вселената за многоизмерна, където нашата „локална” триизмерна Вселена е само един от нейните слоеве. Други казват, че Вселената е фрактална - което означава, че нашата местна вселена може да е частица на друга. Не забравяйте за различните модели на Мултиверса с неговите затворени, отворени, успоредни Вселени, дупки за дупки. И има много, много различни версии, броят на които е ограничен само от човешкото въображение.
Но ако включим студен реализъм или просто се отдалечим от всички тези хипотези, тогава можем да предположим, че нашата Вселена е безкрайно хомогенно хранилище на всички звезди и галактики. Освен това, във всеки много далечен момент, било то милиарди гигапарсеци от нас, всички условия ще бъдат абсолютно еднакви. В този момент ще има точно същия хоризонт от частици и сферата на Хъбъл със същата реликтова радиация на ръба им. Наоколо ще има същите звезди и галактики. Интересното е, че това не противоречи на разширяването на Вселената. В крайна сметка, не просто Вселената се разширява, а самото й пространство. Фактът, че в момента на големия взрив Вселената е възникнала само от една точка, показва само, че безкрайно малките (практически нулеви) размери, които тогава са се превърнали в невъобразимо големи. По-нататък ще използваме точно тази хипотеза, за да гарантираме товакоито ясно разбират мащаба на наблюдаваната вселена.
Визуално представяне
Различни източници предоставят всички видове визуални модели, които позволяват на хората да разберат мащаба на Вселената. Не е достатъчно обаче да осъзнаем колко голям е Космосът. Важно е да се разбере как всъщност се проявяват понятия като хоризонта на Хъбъл и хоризонта на частиците. За целта нека си представим нашия модел стъпка по стъпка.
Да забравим, че съвременната наука не знае за „чуждия“регион на Вселената. Изхвърляйки версиите за мултивселената, фракталната Вселена и другите й „разновидности“, представете си, че тя е просто безкрайна. Както бе отбелязано по-рано, това не противоречи на разширяването на нейното пространство. Разбира се, нека вземем предвид факта, че сферата на Хъбъл и сферата на частиците съответно са равни на 13,75 и 45,7 милиарда светлинни години.
Мащабът на Вселената
Като начало, нека се опитаме да осъзнаем колко голям е универсалният мащаб. Ако сте обиколили нашата планета, тогава можете добре да си представите колко голяма е Земята за нас. Сега нека си представим нашата планета като зърно от елда, което обикаля около диня-Слънце, наполовина на футболното игрище. В този случай орбитата на Нептун ще съответства на размера на малък град, региона на облака Оорт до Луната, областта на границата на влиянието на Слънцето към Марс. Оказва се, че нашата Слънчева система е толкова по-голяма от Земята, колкото Марс е по-голям от елдата! Но това е само началото.
Сега нека си представим, че тази елда ще бъде нашата система, чийто размер е приблизително равен на един парсек. Тогава Млечният път ще бъде с размерите на два футболни стадиона. Въпреки това дори това няма да ни е достатъчно. Ще трябва да намалим Млечния път до сантиметър. Донякъде ще наподобява кафена пяна, увита във водовъртеж в средата на кафе-черното междугалактическо пространство. На двадесет сантиметра от него има една и съща спирална "троха" - мъглявината Андромеда. Около тях ще има рояк от малки галактики от нашия местен клъстер. Привидният размер на нашата Вселена ще бъде 9,2 километра. Стигнахме до разбирането на универсалните измерения. Вътре в универсалния балон
Не е достатъчно обаче да разберем самия мащаб. Важно е да се разбере динамиката на Вселената. Нека си представим себе си като гиганти, за които Млечният път има сантиметров диаметър. Както бе отбелязано сега, ние се оказваме вътре в сфера с радиус 4,57 и диаметър 9,24 километра. Нека си представим, че ние сме в състояние да летим вътре в тази сфера, да пътуваме, преодолявайки цели мегапарсеси за секунда. Какво ще видим, ако нашата Вселена е безкрайна?
Разбира се, пред нас ще има безкраен брой от всички видове галактики. Елипсовидни, спираловидни, неправилни. Някои области ще ги заливат, други ще бъдат празни. Основната характеристика ще бъде, че визуално всички те ще бъдат неподвижни, докато ние сме неподвижни. Но щом направим крачка, самите галактики ще започнат да се движат. Например, ако успеем да видим микроскопичната Слънчева система в сантиметровия Млечен път, можем да наблюдаваме нейното развитие. Като се отдалечим на 600 метра от нашата галактика, ще видим протостарското Слънце и протопланетарния диск в момента на формирането му. Приближавайки се до него, ще видим как се появява Земята, възниква животът и се появява човекът. По същия начин ще видим как галактиките се променят и движат, докато се отдалечим или ги приближим.
Следователно, колкото по-далечни галактики изглеждаме, толкова по-древни ще бъдат те за нас. Така най-отдалечените галактики ще бъдат разположени на по-далеч от 1300 метра от нас, а на завоя от 1380 метра ще видим реликвата радиация. Вярно е, че това разстояние ще бъде въображаемо за нас. Въпреки това, когато се приближим до реликтовото излъчване, ще видим интересна картина. Естествено, ще наблюдаваме как галактиките ще се формират и развиват от първоначалния облак от водород. Когато достигнем до една от тези формирани галактики, ще разберем, че сме преодолели не 1.375 километра, а всички 4,57.
Съкращаване
В резултат на това ще нараснем още повече като размер. Сега можем да поставим цели празнини и стени в юмрука. Така се оказваме в доста малък балон, от който е невъзможно да се измъкнем. Не само разстоянието до обекти в края на балона ще се увеличи, тъй като те се приближават, но самият ръб ще се движи безкрайно. Това е цялата точка на размера на наблюдаваната вселена.
Колкото и да е голяма Вселената, за наблюдателя тя винаги ще остане ограничен балон. Наблюдателят винаги ще бъде в центъра на този балон, всъщност той е неговият център. Опитвайки се да стигне до който и да е предмет в края на балона, наблюдателят ще измести центъра му. Когато наближи обекта, този обект ще се движи все по-далеч и по-далеч от ръба на балона и в същото време ще се промени. Например, от безформен водороден облак той ще се превърне в пълноправна галактика или по-нататък в галактически клъстер. В допълнение, пътят до този обект ще се увеличи, когато го приближите, тъй като самото заобикалящо пространство ще се промени. След като стигнем до този обект, просто го преместваме от ръба на балона до центъра му. На ръба на Вселената реликтовото излъчване също ще премигва.
Ако приемем, че Вселената ще продължи да се разраства с ускорена скорост, след което се намира в центъра на балона и криволичи време за милиарди, трилиони и дори по-високи порядъци от години напред, ще забележим още по-интересна картина. Въпреки че нашият балон също ще нарасне в размер, мутиращите му компоненти ще се отдалечат още по-бързо, оставяйки ръба на този балон, докато всяка частица от Вселената се разпръсне в самотния си мехур, без способността да взаимодейства с други частици.
И така, съвременната наука няма информация за това какви са истинските измерения на Вселената и дали тя има граници. Но ние знаем със сигурност, че наблюдаваната Вселена има видима и истинска граница, наречена радиус на Хъбъл (13,75 милиарда светлинни години) и радиус на частиците (45,7 милиарда светлинни години), съответно. Тези граници са напълно зависими от позицията на наблюдателя в пространството и се разширяват във времето. Ако радиусът на Хъбъл се разширява стриктно със скоростта на светлината, тогава разширяването на хоризонта на частиците се ускорява. Въпросът дали неговото ускоряване на хоризонта на частиците ще продължи по-нататък и дали няма да се промени до компресия, остава отворен.