Cum arată Universul la distanțe foarte mari, în zone inaccesibile pentru observație? Și există o limită la cât de departe putem privi? Orizontul nostru cosmic este determinat de distanța până la cele mai îndepărtate obiecte a căror lumină a ajuns la noi în cele 14 miliarde de ani de la Big Bang. Datorită expansiunii accelerate a Universului, aceste obiecte sunt acum la 40 de miliarde de ani lumină distanță. Lumina de la obiecte mai îndepărtate nu a ajuns încă la noi. Deci, ce este acolo, dincolo de orizont? Foto: SPL/EAST NEWS

Un Univers sau mai multe?

Cum arată Universul la distanțe foarte mari, în zone inaccesibile pentru observație? Și există o limită la cât de departe putem privi? Orizontul nostru cosmic este determinat de distanța până la cele mai îndepărtate obiecte a căror lumină a ajuns la noi în cele 14 miliarde de ani de la Big Bang. Datorită expansiunii accelerate a Universului, aceste obiecte sunt acum la 40 de miliarde de ani lumină distanță. Lumina de la obiecte mai îndepărtate nu a ajuns încă la noi. Deci, ce este acolo, dincolo de orizont? Până de curând, fizicienii au dat un răspuns foarte simplu la această întrebare: totul este la fel acolo - aceleași galaxii, aceleași stele. Dar progresele moderne în cosmologie și fizica particulelor au făcut posibilă revizuirea acestor idei. În noua imagine a lumii, regiunile îndepărtate ale Universului sunt izbitor de diferite de ceea ce vedem în jurul nostru și pot chiar să se supună unor legi diferite ale fizicii.

Noile idei se bazează pe teoria inflației cosmice. Să încercăm să explicăm esența lui. Să începem cu o scurtă prezentare generală a cosmologiei Big Bang standard, care a fost teoria dominantă înainte de descoperirea inflației.

Conform teoriei Big Bang, Universul a început cu o catastrofă colosală care a avut loc acum aproximativ 14 miliarde de ani. Big Bang-ul nu a avut loc într-un loc anume din Univers, ci peste tot deodată. La acea vreme nu existau stele, galaxii sau chiar atomi, iar Universul era plin cu un pâlc de materie și radiații foarte fierbinți, dens și care se extinde rapid. Pe măsură ce a crescut în dimensiune, s-a răcit. La aproximativ trei minute după Big Bang, temperatura a scăzut suficient pentru a se forma nucleele atomice, iar o jumătate de milion de ani mai târziu, electronii și nucleele s-au combinat în atomi neutri din punct de vedere electric, iar Universul a devenit transparent la lumină. Acest lucru ne permite astăzi să înregistrăm lumina emisă de un cheag de foc. Vine din toate direcțiile cerului și se numește radiație cosmică de fundal.

Inițial, cheagul de foc era aproape perfect omogen. Dar existau încă mici nereguli în el: în unele zone densitatea era puțin mai mare decât în ​​altele. Aceste nereguli au crescut, trăgând din ce în ce mai multă materie din spațiul înconjurător cu gravitația lor, iar de-a lungul miliardelor de ani s-au transformat în galaxii. Și abia recent, după standardele cosmice, noi, oamenii, am apărut pe scenă.

Teoria Big Bang este susținută de o mulțime de date observaționale care nu lasă nicio îndoială că acest scenariu este în esență corect. În primul rând, vedem cât de îndepărtate galaxii se îndepărtează de noi cu viteze foarte mari, ceea ce indică expansiunea Universului. Teoria Big Bang explică și abundența elementelor ușoare, cum ar fi heliul și litiul, în Univers. Dar cea mai importantă dovadă, s-ar putea spune, trunchiul fumegător al Big Bang-ului, este radiația cosmică de fundal - strălucirea ulterioară a mingii de foc primare, care încă îi permite să fie observat și studiat. Două premii Nobel au fost deja acordate pentru studiul său.

Deci se pare că avem o teorie foarte reușită. Cu toate acestea, lasă fără răspuns câteva întrebări interesante despre starea inițială a universului imediat după Big Bang. De ce era Universul atât de fierbinte? De ce a început să se extindă? De ce era atât de omogenă? Și, în sfârșit, ce sa întâmplat cu ea înainte de Big Bang?

La toate aceste întrebări răspunde teoria inflației, pe care Alan Guth a propus-o acum 28 de ani.

Inflația spațială

În centrul acestei teorii este o formă specială de materie numită vid fals. În înțelegerea obișnuită a acestui cuvânt, un vid este pur și simplu un spațiu absolut gol. Dar pentru fizicienii particulelor, un vid este departe de a fi un nimic complet, ci un obiect fizic cu energie și presiune care poate fi în diferite stări energetice. Fizicienii numesc aceste stări diferite vid; proprietățile particulelor elementare care pot exista în ele depind de caracteristicile lor. Legătura dintre particule și vid este similară conexiunii unde sonore cu substanţa prin care se propagă: în diferite materiale viteza sunetului nu este aceeaşi. Trăim într-un vid cu energie foarte scăzută și pentru o lungă perioadă de timp fizicienii au crezut că energia vidului nostru este exact zero. Cu toate acestea, observațiile recente au arătat că are o energie ușor diferită de zero (numită energie întunecată).

Teoriile moderne ale particulelor elementare prevăd că, în plus față de vidul nostru, există o serie de alte vacuuri de înaltă energie, numite vid fals. Alături de o energie foarte mare, un vid fals este caracterizat de o presiune negativă mare, care se numește tensiune. Este același lucru cu întinderea unei bucăți de cauciuc: apare tensiunea - o forță interioară care face ca cauciucul să se comprima.

Dar cea mai ciudată proprietate a unui vid fals este gravitația sa respingătoare. Conform teoriei generale a relativității a lui Einstein, forțele gravitaționale sunt cauzate nu numai de masă (adică de energie), ci și de presiune. Presiunea pozitivă provoacă atracție gravitațională, în timp ce presiunea negativă provoacă repulsie. În cazul vidului, efectul respingător al presiunii depășește forța de atracție asociată energiei sale, iar totalul este repulsie. Și cu cât energia vidului este mai mare, cu atât este mai puternică.

De asemenea, un vid fals este instabil și de obicei se dezintegrează foarte repede, transformându-se într-un vid cu energie scăzută. Excesul de energie este folosit pentru a genera un cheag de foc de particule elementare. Este important de subliniat aici că Alan Guth nu a inventat un vid fals cu proprietăți atât de ciudate special pentru teoria sa. Existența sa rezultă din fizica particulelor.

Guth a sugerat pur și simplu că la începutul istoriei Universului, spațiul era într-o stare de vid fals. De ce sa întâmplat așa? Bună întrebare și este ceva de spus aici, dar vom reveni la această problemă la sfârșitul articolului. Deocamdată, să presupunem, după Guth, că tânărul Univers a fost umplut cu un vid fals. În acest caz, gravitația respingătoare pe care o provoacă ar duce la o expansiune accelerată foarte rapidă a Universului. Cu acest tip de expansiune, pe care Guth a numit-o inflație, există un timp caracteristic de dublare în care dimensiunea Universului se dublează. Acest lucru este similar cu inflația din economie: dacă rata sa este constantă, atunci prețurile se dublează în, să zicem, 10 ani. Inflația cosmologică se desfășoară mult mai repede, într-un ritm atât de mare încât, într-o mică fracțiune de secundă, o regiune minusculă mai mică de un atom este umflată la o dimensiune mai mare decât porțiunea de Univers observabilă astăzi.

Deoarece vidul fals este instabil, în cele din urmă se va dezintegra, creând o minge de foc și acesta este sfârșitul inflației. Dezintegrarea unui vid fals joacă rolul Big Bang-ului în această teorie. Din acest moment, Universul se dezvoltă în conformitate cu conceptele cosmologiei standard Big Bang.

De la speculație la teorie

Teoria inflației explică în mod natural trăsăturile stării inițiale care anterior părea atât de misterioase. Temperatura ridicată apare din cauza energiei mari a vidului fals. Expansiunea se datorează gravitației respingătoare, care face ca vidul fals să se extindă, iar cheagul de foc continuă să se extindă prin inerție. Universul este omogen deoarece vidul fals are exact aceeași densitate de energie peste tot (cu excepția micilor neomogenități care sunt asociate cu fluctuațiile cuantice din vidul fals).

Când teoria inflației a fost publicată pentru prima dată, a fost percepută doar ca o ipoteză speculativă. Dar acum, 28 de ani mai târziu, a primit o confirmare observațională impresionantă, cea mai mare parte din cauza radiației cosmice de fond. Satelitul WMAP a cartografiat întregul cer și a constatat că modelul neregulat pe care îl prezenta este în perfect acord cu teoria.

Există o altă predicție a inflației, și anume că Universul ar trebui să fie aproape plat. Conform teoriei generale a relativității a lui Einstein, spațiul poate fi curbat, dar teoria inflației prezice că regiunea Universului pe care o observăm ar trebui descrisă cu mare precizie prin geometrie plată, euclidiană. Imaginează-ți suprafața curbată a unei sfere.

Acum mărește mental această suprafață de un număr mare de ori. Este exact ceea ce s-a întâmplat cu Universul în timpul inflației. Vedem doar o mică parte din această sferă imensă. Și pare plat la fel ca Pământul când ne uităm la o mică parte din el. Că geometria Universului este plată a fost verificată prin măsurarea colțurilor unui triunghi gigant aproape de dimensiunea orizontului cosmic. Suma lor a fost de 180 de grade, așa cum ar trebui să fie cu geometria plată, euclidiană.

Acum că datele din regiunea observabilă a Universului au confirmat teoria inflației, putem avea o oarecare încredere în ceea ce ne spune despre regiunile dincolo de intervalul nostru observabil. Acest lucru ne readuce la întrebarea cu care am început: ce se află dincolo de orizontul nostru cosmic?

Lumea dublelor infinite

Răspunsul pe care îl oferă teoria este destul de neașteptat: deși inflația s-a încheiat în partea noastră a cosmosului, ea continuă în Univers ca întreg. Ici și colo, în grosimea lui au loc „explozii mari”, în care vidul fals se dezintegrează și apare o regiune de spațiu asemănătoare cu a noastră. Dar inflația nu se va termina niciodată complet, în întregul univers. Faptul este că dezintegrarea unui vid este un proces probabilistic, iar în diferite zone se întâmplă în timp diferit. Se pare că Big Bang-ul nu a fost un eveniment unic în trecutul nostru. Multe „explozii” au avut loc înainte și nenumărate altele vor avea loc în viitor. Acest proces fără sfârșit se numește inflație eternă.

Puteți încerca să vă imaginați cum ar arăta un Univers care se umflă dacă îl priviți din exterior. Spațiul ar fi umplut cu un vid fals și se va extinde foarte repede în toate direcțiile. Prăbușirea unui vid fals este similară cu fierberea apei. Ici și colo, apar spontan bule de vid cu energie scăzută. Imediat ce se nasc, bulele încep să se extindă cu viteza luminii. Dar se ciocnesc foarte rar, deoarece spațiul dintre ele se extinde și mai repede, creând spațiu pentru tot mai multe bule noi. Locuim într-una dintre ele și vedem doar o mică parte din ea.

Din păcate, călătoria către alte bule nu este posibilă. Chiar dacă urcăm într-o navă spațială și ne mișcăm aproape cu viteza luminii, nu putem ține pasul cu limitele în expansiune ale bulei noastre. Deci suntem prizonierii lui. Din punct de vedere practic, fiecare bulă este un univers separat autonom, care nu are nicio legătură cu alte bule. În cursul inflației eterne, se generează un număr infinit de astfel de universuri cu bule.

Dar dacă nu poți ajunge în alte universuri cu bule, cum poți fi sigur că ele există cu adevărat? O caracteristică interesantă este observarea ciocnirilor cu bule. Dacă o altă bulă ar lovi pe a noastră, ar avea un efect vizibil asupra radiației cosmice de fond observate. Problema, însă, este că ciocnirile cu bule sunt foarte rare și nu este un fapt că un astfel de eveniment sa întâmplat în orizontul nostru.

Din această imagine a lumii rezultă o concluzie surprinzătoare: întrucât numărul de universuri cu bule este infinit și fiecare dintre ele se extinde fără limită, ele vor conține un număr infinit de regiuni de mărimea orizontului nostru. Fiecare astfel de zonă va avea propria sa istorie. Prin „istorie” înțelegem tot ce s-a întâmplat, până la cele mai mici evenimente, precum ciocnirea a doi atomi. Punctul cheie este că numărul de povești diferite care pot avea loc este finit. Cum este posibil acest lucru? De exemplu, îmi pot muta scaunul cu un centimetru, jumătate de centimetru, un sfert și așa mai departe: se pare că există deja un număr nelimitat de povești ascunse aici, deoarece pot muta scaunul un număr infinit. căi diferite pe orice distanță scurtă. Cu toate acestea, din cauza incertitudinii cuantice, istoriile care sunt prea apropiate unele de altele sunt fundamental imposibil de distins. Astfel, mecanica cuantică ne spune că numărul de istorii diferite este finit. De la Big Bang, pentru regiunea pe care o observăm, este de aproximativ 10 ridicat la puterea de 10150. Acest lucru este de neimaginat număr mare, dar este important de subliniat că nu este infinit.

Deci, un număr limitat de povești se desfășoară într-un număr infinit de zone. Concluzia inevitabilă este că fiecare poveste se repetă de un număr infinit de ori. În special, există un număr infinit de pământuri cu istorii asemănătoare cu ale noastre. Aceasta înseamnă că zeci de interpretări citesc acum această frază. Trebuie să existe și zone ale căror istorii diferă într-un fel, realizând toate variațiile posibile. De exemplu, există zone în care doar numele câinelui tău a fost schimbat și există altele în care dinozaurii încă plimbă Pământul. Deși, desigur, în majoritatea zonelor nu există nimic asemănător cu Pământul nostru: la urma urmei, există mult mai multe moduri de a fi diferit de spațiul nostru decât de a fi asemănător cu acesta. Această imagine poate părea oarecum deprimantă, dar este foarte greu de evitat dacă se acceptă teoria inflației.

Multiverse Bubbles

Până acum, am presupus că alte universuri cu bule sunt similare în ceea ce privește proprietățile lor fizice. Dar acest lucru nu trebuie să fie cazul. Proprietățile lumii noastre sunt determinate de un set de numere numite constante fundamentale. Printre acestea se numără constanta gravitațională a lui Newton, masele particulelor elementare, sarcinile lor electrice și altele asemenea. Există aproximativ 30 de astfel de constante în total și apare o întrebare complet firească: de ce au valorile pe care le au? Multă vreme, fizicienii au visat că într-o zi vor putea deriva valorile constantelor dintr-o teorie fundamentală. Dar nu s-au făcut progrese semnificative pe această cale.

Dacă scrieți valorile constantelor fundamentale cunoscute pe o bucată de hârtie, acestea vor părea complet aleatorii. Unele dintre ele sunt foarte mici, altele sunt mari și nu există o ordine aparentă în spatele acestui set de numere. Cu toate acestea, un sistem a fost încă observat în ele, deși de un fel ușor diferit de cel sperat fizicienii să descopere. Valorile constantelor par să fie „alese” cu grijă pentru a ne asigura existența. Această observație a fost numită principiul antropic. Constantele par să fie special reglate fin de către Creator pentru a crea un Univers potrivit pentru viață – exact asta ne spun susținătorii doctrinei designului inteligent.

Dar există o altă posibilitate, care pictează o imagine complet diferită a Creatorului: el generează în mod arbitrar multe universuri și, pur întâmplător, unele dintre ele se dovedesc a fi potrivite pentru viață. Observatorii inteligenți care apar în universuri atât de rare descoperă o minunată reglare fină a constantelor. În această imagine a lumii numită Multivers, majoritatea bulelor sunt sterile, dar nu există nimeni în ele care să se plângă de asta.

Dar cum să testăm conceptul de Multivers? Observațiile directe nu vor da nimic, deoarece nu putem călători către alte bule. Este posibil, însă, ca într-o urmărire penală, să se găsească probe circumstanțiale. Dacă constantele variază de la un univers la altul, nu le putem prezice valorile cu precizie, dar putem face predicții probabilistice. S-ar putea întreba: Ce valori va detecta observatorul mediu? Acest lucru este analog cu încercarea de a prezice înălțimea primei persoane pe care o întâlniți pe stradă. Este puțin probabil să se dovedească a fi un uriaș sau un pitic, așa că dacă prezicem că înălțimea lui va fi undeva în jurul mediei, noi, de regulă, nu ne vom înșela. La fel și cu constantele fundamentale: nu există niciun motiv să credem că valorile lor în regiunea noastră de spațiu sunt foarte mari sau mici, cu alte cuvinte, ele diferă semnificativ de cele care sunt măsurate de majoritatea observatorilor din Univers. Asumarea neexclusivității noastre este o idee importantă; L-am numit principiul mediocrităţii.

Această abordare a fost aplicată așa-numitei constante cosmologice, care caracterizează densitatea energetică a vidului nostru. Valoarea acestei constante, obținută din observații astronomice, s-a dovedit a fi în bună concordanță cu predicțiile bazate pe conceptul de Multivers. Aceasta a fost prima dovadă a existenței acolo, dincolo de orizont, a unui Univers cu adevărat colosal, mereu umflat. Această dovadă este, desigur, indirectă, așa cum ar putea fi doar. Dar dacă avem norocul să facem câteva predicții mai reușite, atunci poza noua lumea poate fi recunoscută ca fiind dovedită dincolo de orice îndoială rezonabilă.

Ce s-a întâmplat înainte de Big Bang?

A avut Universul un început? Am descris un cosmos în expansiune nesfârșită, dând naștere la „big bangs” mereu noi, dar am dori să știm dacă Universul a fost întotdeauna așa? Mulți oameni consideră această posibilitate foarte atractivă, deoarece elimină unele dintre întrebările dificile din jurul începutului universului. Când Universul există deja, evoluția lui este descrisă de legile fizicii. Dar cum să-i descriu începutul? Ce a făcut Universul să ia ființă? Și cine i-a dat condițiile inițiale? Ar fi foarte convenabil să spunem că Universul este mereu într-o stare de inflație eternă fără sfârșit și fără început.

Această idee se confruntă însă cu un obstacol neașteptat. Arvind Board și Alan Guth au demonstrat o teoremă care afirmă că, deși inflația este eternă în viitor, ea nu poate fi eternă în trecut, ceea ce înseamnă că trebuie să aibă un început. Și orice ar fi, putem continua să ne întrebăm: ce s-a întâmplat înainte de asta? Se pare că una dintre principalele întrebări ale cosmologiei este cum a început Universul? - nu a primit niciodată un răspuns satisfăcător.

Singura modalitate de a evita această problemă de regresie infinită propusă până acum este că universul ar fi putut fi creat spontan din nimic. Se spune adesea: nimic nu poate veni din nimic. Într-adevăr, materia are energie pozitivă, iar legea conservării ei cere ca în orice stare inițială energia să fie aceeași. Cu toate acestea, este un fapt matematic că un univers închis are energie zero. În teoria generală a relativității a lui Einstein, spațiul poate fi curbat și se poate închide pe sine ca suprafața unei sfere. Dacă te miști într-o direcție tot timpul într-un univers atât de închis, în cele din urmă te vei întoarce de unde ai început, la fel cum te întorci la punctul tău de plecare după ce ai înconjurat Pământul. Energia materiei este pozitivă, dar energia gravitației este negativă și se poate dovedi riguros că într-un univers închis contribuțiile lor se anulează exact una pe cealaltă, astfel încât energia totală a unui univers închis este zero. O altă cantitate conservată este sarcina electrică. Și aici, de asemenea, se dovedește că sarcina totală a unui univers închis ar trebui să fie zero.

Dacă toate cantitățile conservate dintr-un univers închis sunt egale cu zero, atunci nimic nu împiedică apariția sa spontană din nimic. În mecanica cuantică, orice proces care nu este interzis de legile stricte de conservare va avea loc cu o oarecare probabilitate. Aceasta înseamnă că universurile închise trebuie să apară din nimic, ca bulele într-un pahar de șampanie. Aceste universuri nou-născute pot fi de dimensiuni diferite și umplute cu diferite tipuri de vid. Analiza arată că universurile cele mai probabile au dimensiunile inițiale minime și cea mai mare energie de vid. Odată ce apare un astfel de univers, acesta începe imediat să se extindă sub influența energiei de vid înalt. Exact așa începe povestea inflației eterne.

Cosmologia Sf. Augustin

Trebuie remarcat faptul că analogia dintre universurile care ies din nimic și bulele de șampanie nu este pe deplin exactă. Bulele se nasc într-un lichid, iar universul nu are spațiu înconjurător. Universul închis emergent este tot spațiul disponibil. Înainte de apariția sa, spațiul nu există, așa cum timpul nu există. În teoria generală a relativității, spațiul și timpul sunt conectate într-o singură entitate numită „spațiu-timp”, iar timpul începe să conteze abia după ce universul vine în existență.

Ceva asemănător a fost descris cu multe secole în urmă de Sfântul Augustin. El a încercat să înțeleagă ce a făcut Dumnezeu înainte de a crea cerurile și pământul. Augustin și-a conturat gândurile despre această problemă în remarcabila sa carte, Confessions. Concluzia la care a ajuns în cele din urmă este că Dumnezeu trebuie să fi creat timpul împreună cu universul. Nu a existat timp înainte de asta, ceea ce înseamnă că este inutil să întrebi ce s-a întâmplat înainte. Acesta este foarte asemănător cu răspunsul dat de cosmologia modernă.

Vă puteți întreba: ce a făcut universul să apară din nimic? În mod surprinzător, nu este necesar niciun motiv. Dacă luați un atom radioactiv, acesta se va descompune, iar mecanica cuantică prezice probabilitatea dezintegrarii acestuia într-un anumit interval de timp, să zicem un minut. Dar dacă întrebați de ce atomul s-a dezintegrat în acest moment anume și nu în altul, răspunsul va fi că nu a existat niciun motiv: acest proces este complet aleatoriu. În mod similar, nu este necesar niciun motiv pentru crearea cuantică a Universului.

Legile fizicii care descriu nașterea cuantică a Universului sunt aceleași care descriu evoluția sa ulterioară. De aici se pare că legile au existat într-un anumit sens înainte de apariția universului. Cu alte cuvinte, legile nu par a fi o descriere a Universului, ci mai degrabă au un fel de existență platoniciană dincolo de Universul însuși. Încă nu știm cum să înțelegem asta.

Alexander Vilenkin este director al Institutului de Cosmologie de la Universitatea Tufts (Boston, Massachusetts). A absolvit Universitatea din Harkov în 1971, a emigrat din URSS în 1976 și a devenit profesor la Universitatea Tufts în 1978. Vilenkin este unul dintre cei mai importanți cosmologi moderni, autorul conceptului de inflație eternă, care a apărut ca o dezvoltare a cosmologiei inflaționiste a lui Alan Guth, cu care a scris o serie de lucrări științifice. Există o controversă binecunoscută între Alexander Vilenkin și Stephen Hawking cu privire la întrebarea cum sa întâmplat exact nașterea cuantică a Universului. Vilenkin este un susținător al principiului antropic, conform căruia există multe universuri și doar câteva dintre ele sunt potrivite pentru viață de către locuitori inteligenți. Mai mult, Vilenkin consideră că din principiul antropic este posibil să se obțină predicții non-triviale care să permită confirmarea existenței universurilor inaccesibile observării. Cartea de știință populară „The World of Many Worlds: In Search of Other Universes” de Alexander Vilenkin, publicată în limba engleză, a stârnit discuții aprinse. Anul acesta este publicat în limba rusă.

Fapte incredibile

Te-ai întrebat vreodată cât de mare este Universul?

8. Totuși, acest lucru nu este nimic în comparație cu Soarele.

Fotografie a Pământului din spațiu

9. Și aceasta vedere a planetei noastre de pe lună.

10. Aceștia suntem noi de pe suprafața lui Marte.

11. Și aceasta vedere a Pământului în spatele inelelor lui Saturn.

12. Și aceasta este celebra fotografie” Punct albastru palid„, unde Pământul este fotografiat de la Neptun, de la o distanță de aproape 6 miliarde de kilometri.

13. Iată dimensiunea Pământul în comparație cu Soarele, care nici măcar nu se potrivește complet în fotografie.

Cea mai mare stea

14. Și aceasta Soarele de pe suprafața lui Marte.

15. După cum a spus odată celebrul astronom Carl Sagan, în spațiu mai multe stele decât grăunte de nisip pe toate plajele Pământului.

16. Sunt multe stele care sunt mult mai mari decât Soarele nostru. Uită-te doar cât de mic este Soarele.

Fotografie a galaxiei Calea Lactee

18. Dar nimic nu se poate compara cu dimensiunea galaxiei. Daca reduceti Soarele la dimensiunea unui leucocit(celule albe din sânge), și micșora Galaxia Calea Lactee folosind aceeași scară, Calea Lactee ar fi de dimensiunea Statelor Unite.

19. Acest lucru se datorează faptului că Calea Lactee este pur și simplu uriașă. Acolo se află sistemul solar în interiorul lui.

20. Dar noi vedem doar foarte multe o mică parte a galaxiei noastre.

21. Dar chiar și galaxia noastră este mică în comparație cu altele. Aici Calea Lactee în comparație cu galaxia IC 1011, care se află la 350 de milioane de ani lumină de Pământ.

22. Gândește-te la asta, în această fotografie făcută de telescopul Hubble, mii de galaxii, fiecare conținând milioane de stele, fiecare având propriile planete.

23. Iată una dintre galaxia UDF 423, situată la 10 miliarde de ani lumină distanță. Când te uiți la această fotografie, privești miliarde de ani în trecut. Unele dintre aceste galaxii s-au format la câteva sute de milioane de ani după Big Bang.

24. Dar amintiți-vă că această fotografie este foarte, o foarte mică parte a universului. Este doar o parte nesemnificativă a cerului nopții.

25. Putem presupune cu destulă încredere că undeva există găuri negre. Iată dimensiunea găurii negre în comparație cu orbita Pământului.

Simulările structurii pe scară largă a Universului arată clustere complexe, care nu se repetă. Dar din punctul nostru de vedere putem vedea volumul finit al Universului. Ce se află dincolo?

Acum 13,8 miliarde de ani, universul așa cum îl cunoaștem a început cu Big Bang. În acest timp, spațiul s-a extins, materia a experimentat atracție gravitațională și, ca urmare, am obținut Universul pe care îl vedem astăzi. Dar, deși este uriaș, există limite pentru observațiile noastre. La o anumită distanță, galaxiile dispar, stelele se estompează și nu primim niciun semnal din părți îndepărtate ale Universului. Ce este dincolo de această limită? Săptămâna aceasta un cititor întreabă:

Dacă Universul este finit în volum, unde este limita sa? Este posibil să te apropii de ea? Cum va arăta ea?

Să începem cu locația noastră actuală și să privim cât de departe putem.



Stelele pe care le vedem și galaxiile din apropiere arată exact ca ale noastre. Dar cu cât privim mai departe, cu atât privim mai adânc în trecutul Universului: acolo este mai puțin structurat, mai tânăr și nu atât de dezvoltat.

În imediata noastră apropiere, Universul este plin de stele. Dacă zburați la 100.000 de ani lumină distanță, puteți lăsa Calea Lactee în urmă. Dincolo de ea se întinde o mare de galaxii - poate două trilioane în Universul observabil. Există un număr mare de soiuri, forme, dimensiuni și mase ale acestora. Dar privind galaxiile mai îndepărtate, vezi ceva neobișnuit: cu cât o galaxie este mai departe, cu atât este mai probabil ca aceasta să fie mai mică ca dimensiune și masă, iar stelele sale vor gravita mai mult spre culoarea albastră decât cele ale galaxiilor din apropiere.

Cum diferă galaxiile în diferite momente din istoria Universului?

Acest lucru are sens dacă universul ar avea un început: o zi de naștere. Așa a fost Big Bang-ul, ziua în care s-a născut Universul pe care îl cunoaștem. Vârsta galaxiei situată relativ aproape de a noastră coincide cu vârsta noastră. Dar când privim o galaxie aflată la miliarde de ani lumină depărtare, vedem lumină care a trebuit să călătorească cu miliarde de ani înainte să ajungă la ochi. Vârsta galaxiei a cărei lumină a avut nevoie de 13 miliarde de ani pentru a ajunge la noi trebuie să aibă mai puțin de un miliard de ani și, privind mai departe în spațiu, ne uităm, de fapt, în trecut.

Un compozit de lumină ultravioletă, vizibilă și infraroșu capturată de câmpul profund Extrem al Hubble este cea mai mare imagine a Universului îndepărtat lansată vreodată.

Mai sus este o imagine din eXtreme Deep Field (XDF) de la Hubble, cea mai profundă imagine a Universului îndepărtat. Prezintă mii de galaxii situate la distanțe foarte diferite de noi și unele de altele. Dar la culoare simplă este imposibil de observat că fiecare galaxie este asociată cu un anumit spectru, în care norii de gaz absorb lumină de lungimi de undă foarte specifice, datorită fizicii simple a atomului. Pe măsură ce Universul se extinde, această lungime se întinde, astfel încât galaxiile mai îndepărtate ni se par mai roșii. Această fizică ne permite să facem presupuneri despre distanța lor, iar când punem aceste distanțe împreună, se dovedește că cele mai îndepărtate galaxii sunt cele mai tinere și mai mici.

În spatele galaxiilor trebuie să fi fost primele stele, iar apoi nimic altceva decât gaz neutru - când Universul nu a avut timp să tragă materia în structuri suficient de dense pentru a forma stele. Întorcându-ne cu câteva milioane de ani în urmă, vedem că radiația din Univers era atât de fierbinte încât atomii neutri nu s-au putut forma acolo, ceea ce înseamnă că fotonii revărsau constant de particulele încărcate. Odată formați atomii neutri, această lumină ar fi trebuit pur și simplu să meargă în linie dreaptă și să continue pentru totdeauna, deoarece nu a fost afectată de nimic altceva decât expansiunea Universului. Descoperirea acestei străluciri reziduale - radiația cosmică de fond cu microunde - acum mai bine de 50 de ani a fost confirmarea finală a Big Bang-ului.

Diagrama sistematică a istoriei Universului care descrie reionizarea. Înainte de formarea stelelor și galaxiilor, Universul era plin de atomi neutri care blocau lumina. Și deși cea mai mare parte a Universului nu a suferit reionizare decât după 550 de milioane de ani, unele zone mai norocoase aproape s-au reionizat înainte de acest timp.

Din locația noastră actuală, putem privi în orice direcție și putem vedea același curs al istoriei cosmice. Astăzi, la 13,8 miliarde de ani după Big Bang, avem galaxiile și stelele pe care le cunoaștem. Anterior, galaxiile erau mai mici, mai albastre, mai tinere și mai puțin dezvoltate. Înainte de asta au existat primele stele, iar înainte de asta au existat doar atomi neutri. Înaintea atomilor neutri a existat plasmă ionizată, iar înaintea ei au existat protoni și neutroni liberi, apariția spontană a materiei și antimateriei, quarci și gluoni liberi, toate particulele instabile ale modelului standard și, în sfârșit, momentul Big Bang-ului. în sine. A privi din ce în ce mai departe este ca și cum ai privi în trecut.

Reprezentarea artistică a unui concept logaritmic al Universului observabil. Galaxiile sunt urmate de o structură la scară mare și de plasma fierbinte și densă a Big Bang-ului în fundal. Marginea este o limită doar în timp.

Deși acest lucru definește Universul nostru observabil - cu granița teoretică a Big Bang-ului fiind la - nu ar fi nicio graniță reală a spațiului. Este doar o limită în timp; există limite pentru ceea ce putem vedea, deoarece viteza luminii a permis informației să circule doar timp de 13,8 miliarde de ani de la Big Bang-ul fierbinte. Această distanță este de peste 13,8 miliarde de ani lumină, pe măsură ce țesătura Universului sa extins (și continuă să se extindă), dar este încă finită. Dar cum rămâne cu timpul dinaintea Big Bang-ului? Ce ai vedea dacă ai ajunge cumva acolo cu o fracțiune de secundă înainte ca Universul să aibă cea mai mare dintre energii, să fie dens, fierbinte, plin de materie, antimaterie și radiații?

Inflația a permis Big Bang-ul fierbinte și a dat naștere la creșterea Universului observabil la care avem acces. Fluctuațiile inflației au plantat semințele care au crescut în structura pe care o are astăzi

Ai găsi o stare de inflație cosmică în care universul se extindea extrem de rapid și în care domina energia inerentă spațiului însuși. Spațiul în acest moment sa extins exponențial, a fost întins la o stare plată, a dobândit aceleași proprietăți în toate locurile, particulele care existau atunci au fost împrăștiate în direcții diferite, iar fluctuațiile inerente câmpurilor cuantice au fost întinse în tot Universul. Când inflația s-a încheiat acolo unde suntem noi, Big Bang-ul fierbinte a umplut Universul cu materie și radiații și a creat partea din Univers - Universul observabil - pe care o vedem astăzi. Și acum, 13,8 miliarde de ani mai târziu, avem ceea ce avem.

Universul observabil se poate extinde cu 46 de miliarde de ani lumină în toate direcțiile din punctul nostru de vedere, dar cu siguranță există mai multe părți neobservabile ale universului, poate chiar un număr infinit, asemănător cu cel în care ne aflăm.

Locația noastră nu este diferită, nici în spațiu, nici în timp. Faptul că putem vedea la 46 de miliarde de ani lumină distanță nu dă nicio semnificație specială acestei granițe sau acestei locații. Aceasta este pur și simplu o limitare a câmpului nostru vizual. Dacă am putea face cumva o fotografie a întregului Univers, extinzându-se dincolo de granița observabilă, așa cum a apărut la 13,8 miliarde de ani după Big Bang, totul ar arăta ca partea noastră cea mai apropiată. Ar avea o mare rețea cosmică de galaxii, clustere, filamente galactice, goluri cosmice, extinzându-se dincolo de zona relativ mică vizibilă pentru noi. Orice observator de oriunde ar vedea un Univers foarte asemănător cu ceea ce vedem noi din punctul nostru de vedere.

Una dintre cele mai îndepărtate observații ale Universului arată stele și galaxii din apropiere, dar galaxiile din regiunile exterioare par pur și simplu mai tinere și mai puțin dezvoltate. Din punctul lor de vedere, ei au 13,8 miliarde de ani și sunt mai dezvoltați și li se par la fel ca acum miliarde de ani.

Detaliile individuale ar diferi, la fel cum și detaliile sistemului nostru solar, ale galaxiei, grupului local etc. diferă. din detaliile unui alt observator. Dar Universul nu este limitat în volum - doar partea sa observabilă este limitată. Motivul pentru aceasta este limita temporală - Big Bang - care ne separă de restul. Ne putem apropia de el doar cu ajutorul telescoapelor care se uită la el primele zile Univers, și în teorie. Până când ne dăm seama cum să trișăm într-un singur sens, aceasta va fi singura noastră abordare de a înțelege „limita” Universului. Dar în spațiu nu există granițe. Din câte știm, cineva la marginea Universului nostru observabil ne-ar vedea pur și simplu la marginea Universului lor observabil!

Cum arată Universul nostru?

De fiecare dată când ridicăm capul și ne uităm la cerul înstelat, apar involuntar întrebări: cât de departe sunt toate aceste stele de noi și ce este mai departe în spatele lor, există un sfârșit la toate acestea și cum funcționează totul, ce înseamnă Arată universul. Unde în Univers sunt situate Soarele nostru, Pământul și alte planete ale Sistemului nostru Solar? Este posibil să ne imaginăm și cu ce să comparăm aceste distanțe și dimensiuni pentru ca mintea noastră să înțeleagă cum arată Universul?

Mintea umană percepe perfect scalele familiare. Creierul nostru înțelege ce înseamnă să conduci optzeci de kilometri într-o zi, dar despre trei sute de mii, mulți oameni nu au condus niciodată cu o viteză de 150 km/h. , dar ce zici de o sută de milioane. Mulți oameni nici măcar nu își pot imagina astfel de numere precum milioane și miliarde. Cum putem studia și înțelege cum arată Universul dacă nu ne putem imagina dimensiunea sa enormă. Este necesar să creăm un model la scară al Universului, deoarece acesta va avea o dimensiune de înțeles pentru noi.

Scale în Univers.

1. Și să mergem. Aceasta este casa noastră. Un pământ cu spațiile lui vaste: mări adânci și munți înalți, câmpii nesfârșite și numeroase orașe. Dar totuși, ea este doar un grăunte de nisip în spațiu.

2. Și aceasta este zona în care se află planeta noastră.

3. Aceasta este distanța dintre Pământ și Lună, care este de 384.400 de mii de km. Nu pare foarte mare, nu-i așa?

4. Acum să vedem cum se pot încadra toate planetele sistemului solar în această distanță. Adevărul este impresionant.

5. Și așa arată continentele pământului pe Jupiter.

6. Așa arată o cometă pe fundalul unui oraș mare.

7. Dar acest lucru nu este nimic în comparație cu ceea ce arată Pământul nostru lângă Soare.

8. Să vedem acum cât de mic și de neînsemnat este Soarele nostru în comparație cu alte stele. Cea mai mare stea este VY Canis Majoris.

9. Cat de mare? Dacă Soarele este redus la dimensiunea unei celule albe sânge și apoi reduceți Calea Lactee folosind aceeași scară, atunci galaxia va avea dimensiunea Rusiei.

10. Cu toate acestea, chiar și întreaga Cale Lactee pare mai mică în comparație. Această galaxie este IC 1011, care se află la 350 de milioane de ani lumină de Pământ.

11. Și această fotografie făcută de telescopul Hubble arată mii de galaxii.

Am aranjat cântarul și acum să ne uităm la modelul Universului.

Model - cum arată Universul nostru

1. Iată-ne în sistemul solar.

Univers! Curs de supraviețuire [Printre găurile negre. paradoxuri temporale, incertitudine cuantică] Goldberg Dave

II. Cum arată marginea Universului?

A vorbi despre Tentaculus VII ne aduce la câteva gânduri importante. Dacă am avea telescoape atât de puternice încât am putea vedea planeta natală a doctorului Kalachik, am vedea nu ce se întâmplă acolo astăzi, ci ce s-a întâmplat acum aproximativ un miliard de ani. Și dacă ne-am uita la o altă galaxie și mai îndepărtată, ne-am uita într-un trecut și mai îndepărtat. Exact așa studiază oamenii de știință etapele incipiente ale dezvoltării Universului - se uită la ceea ce se întâmplă în galaxiile foarte îndepărtate.

Cu toate acestea, dincolo de cele mai îndepărtate galaxii există o limită dincolo de care nu putem vedea. Pe Pământ numim această limită orizont, dar exact același orizont există în Univers ca întreg. Nu putem privi dincolo de orizont, deoarece lumina se deplasează cu o viteză constantă. Și din moment ce Universul a existat relativ recent, doar de aproximativ 13,7 miliarde de ani, tot ceea ce este situat mai departe de 13,7 miliarde de ani lumină nu va mai fi vizibil pentru ochilor noștri pentru o perioadă de timp.

De unde exact această dată pentru „începutul Universului”? Să începem de la sfârșit. Dacă toate galaxiile din Univers se îndepărtează unele de altele, atunci la un moment dat în trecut a existat o perioadă în care ele (sau cel puțin atomii care le alcătuiesc) s-au așezat una pe capul celuilalt. Acest „eveniment” pe care îl numim Big Bang, care a provocat concepții greșite majore, tot felul de confuzii și scrierea următorului capitol.

Putem estima când a avut loc Big Bang-ul dacă ne amintim că viteza este raportul dintre distanță și timp. Presupunând (în mod eronat, după cum se dovedește, dar deocamdată suntem mulțumiți de o astfel de eroare) că viteza de retragere a galaxiei în care se află Tentaculus a fost constantă de la începutul timpului, putem calcula viteza Universului folosind simplă calcule matematice. Gândiți-vă doar: cu cât galaxia este mai departe de noi astăzi, cu atât Universul nostru este mai vechi, deoarece totul se îndepărtează unul de celălalt într-un ritm pe care îl cunoaștem. Să substituim variabile care sunt valabile pentru Universul nostru în această ecuație liniară simplă și să estimăm că vârsta Universului este de aproximativ 13,8 miliarde de ani: uite, rezultatul este aproape același ca și cum ai fi făcut toate calculele cu precizie și cu corecțiile necesare. .

Dacă am avea un telescop suficient de puternic, am putea vedea începutul Universului cu proprii noștri ochi? Aproape, dar nu chiar. Actualul deținător al recordului de distanță, poreclit A 1689-zD1, este atât de departe de noi încât imaginea sa văzută prin telescopul spațial Hubble datează din vremea când Universul avea doar 700 de milioane de ani (aproximativ 5% din actualul ei). vârsta) când dimensiunea ei era mai mică de 1/8 din dimensiunea ei actuală.

Pentru a înrăutăți lucrurile, A 1689-zD1 se îndepărtează de noi cu o viteză de aproximativ 8 ori mai mare decât viteza luminii. (Vom aștepta, iar dvs. întoarceți cartea înapoi la capitolul 1, unde am afirmat clar și fără echivoc că acest lucru este imposibil.) Enigma va fi rezolvată instantaneu dacă ne amintim că Universul este cel care se extinde, și nu galaxia. care se mișcă. Galaxia stă nemișcată.

Inca crezi ca inselam? Deloc. Relativitatea specială nu spune că obiectele nu se pot îndepărta unele de altele mai repede decât viteza luminii. Și ea spune următoarele: dacă trimit semnalul Bat către cer, Batman nu va putea să-l depășească în Batplane, indiferent cât de mult s-ar strădui. Într-un sens mai general, aceasta înseamnă că nicio informație (cum ar fi o particulă sau un semnal) nu poate călători mai repede decât lumina. Acest lucru este absolut adevărat, chiar dacă Universul se extinde foarte repede. Nu suntem capabili să folosim expansiunea Universului pentru a depăși un fascicul de lumină.

De fapt, putem privi înapoi și mai mult în trecut decât A 1689-zD1, dar pentru a face acest lucru avem nevoie de radiouri. Ne putem uita înapoi la o perioadă în care Universul avea doar 380.000 de ani și nu consta decât dintr-un amestec fierbinte de hidrogen, heliu și radiații cu o energie extrem de ridicată.

Atunci totul este o ceață – la propriu. Deoarece Universul a fost atât de strâns cu materie în stadiile sale incipiente, este ca și cum ai încerca să te uiți în spatele perdelelor vecinului tău. Ceea ce se află în spatele lor nu este vizibil, dar știm cum arată Universul acum și cum arăta în fiecare moment, de la primele etape până în prezent, așa că putem ghici ce se află în spatele acelei perdele cosmice. Este tentant să privești în spatele ei, nu-i așa?

Deci, deși nu suntem capabili să privim dincolo de orizont, vedem suficient pentru a ne satisface curiozitatea proprie și a celorlalți pe cheltuiala publică. Cel mai bun lucru este că, cu cât așteptăm mai mult, cu atât Universul devine mai bătrân și cu cât orizontul se îndepărtează. Cu alte cuvinte, există colțuri îndepărtate ale Universului a căror lumină ajunge la noi abia acum.

Ce se află dincolo de orizont? Nimeni nu știe, dar putem face presupuneri educate. Amintiți-vă că Copernic și adepții săi ne-au arătat clar că „când mergeți undeva, tot ajungeți undeva”, așa că putem presupune că Universul arată cam la fel dincolo de orizont ca și aici. Desigur, vor mai fi și alte galaxii acolo, dar vor fi aproximativ același număr ca și în jurul nostru și vor arăta aproximativ la fel ca vecinii noștri. Dar acest lucru nu este neapărat adevărat. Facem această presupunere pentru că nu avem de ce să gândim altfel.

Din cartea Găuri negre și universuri tinere autor Hawking Stephen William

9. Originea Universului Întrebarea despre originea Universului este puțin asemănătoare cu problema antica: Ce a venit mai întâi - puiul sau oul? Cu alte cuvinte, ce forță a creat Universul și ce a creat acea forță? Sau poate că Universul sau forța care l-a creat a existat

Din carte Cea mai noua carte fapte. Volumul 3 [Fizica, chimie si tehnologie. Istorie și arheologie. Diverse] autor Kondrașov Anatoli Pavlovici

Din cartea Secretele spațiului și timpului autor Komarov Victor

Din cartea Univers. Manual de instrucțiuni [Cum să supraviețuiești găurilor negre, paradoxurilor timpului și incertitudinii cuantice] de Goldberg Dave

Din cartea Mișcarea. Căldură autor Kitaygorodsky Alexander Isaakovich

Din cartea Knocking on Heaven's Door [Viziunea științifică a structurii Universului] de Randall Lisa

Din cartea Tweets despre Univers de Chaun Marcus

Din cartea Interstellar: știința din culise autor Thorne Kip Stephen

II. Cum arată marginea Universului? A vorbi despre Tentaculus VII ne aduce la câteva gânduri importante. Dacă am avea telescoape atât de puternice încât am putea vedea prin ele planeta natală a Dr. Kalachik, am vedea nu ce se întâmplă acolo astăzi, ci ce a fost

Din cartea Being Hawking de Jane Hawking

Cum arată mișcarea termică Interacțiunile dintre molecule pot fi mai mult sau mai puțin importante în „viața” moleculelor. Cele trei stări ale materiei - gazoasă, lichidă și solidă - diferă una de alta prin rolul pe care interacțiunea îl joacă în ele

Din cartea autorului

SCALA UNIVERSULUI Călătoria noastră începe la o scară familiară nouă - aceeași în care trăim, folosim diferite lucruri, le vedem și le atingem. Nu întâmplător este un metru - nu o milioneme din el și nici zece mii de metri - care corespunde cel mai bine dimensiunii

Din cartea autorului

UN TUR AL UNIVERSULUI Cartea și filmul „Puterile lui Zece” – una dintre călătoriile clasice prin lumi și dimensiuni îndepărtate – începe și se termină cu imaginea unui cuplu de oameni așezați pe iarbă într-un parc din Chicago; Trebuie să spun că acesta este un loc bun de început

Din cartea autorului

134. Cum arată cerul cuptorului cu microunde? Dacă te uiți la cerul nopții, vei vedea stele individuale. Dar cel mai uimitor lucru este că cerul nopții este în mare parte negru, lumina vizibilă este doar o mică parte a „spectrului electromagnetic”. Alte tipuri de lumină (invizibilă) includ

Din cartea autorului

136. Cum arată cerul ultraviolet? Lumina ultravioletă (UV) are lungimi de undă cuprinse între 10 și 400 nanometri (nm). Invizibil pentru ochiul uman, dar unele animale, cum ar fi albinele, văd în acest interval. Fotonii UV transportă mult mai multă energie decât

Din cartea autorului

Cum arată o gaură neagră Noi, oamenii, aparținem branei noastre. Nu putem să-l părăsim și să intrăm în masă (cu excepția cazului în care o civilizație super-avansată ne transportă acolo într-un tesseract sau alt dispozitiv, așa cum sa întâmplat cu Cooper, vezi capitolul 29). Prin urmare,

Din cartea autorului

Cum arată o gaură de vierme traversabilă? Cum arată o gaură de vierme traversabilă pentru tine și pentru mine, pentru oamenii acestui Univers? Nu pot să răspund sigur. Dacă este posibil să țineți o gaură de vierme deschisă, modul exact de a face acest lucru rămâne un mister, așa că forma

Din cartea autorului

5. Expansiunea Universului Între timp, la sfârșitul anilor 1960, ne aștepta o altă criză, deși mult mai puțin dramatică decât întâlnirea nefastă a lui Robert cu efectele drogurilor. Relația lui Stephen cu colegiul se apropia de sfârșit și, din moment ce termenul expirase deja