Visste du at universet vi observerer har noenlunde bestemte grenser? Vi er vant til å knytte universet til noe uendelig og uforståelig. Imidlertid tilbyr moderne vitenskap til spørsmålet om universitetets "uendelighet" et helt annet svar på et så "åpenbart" spørsmål.
I følge moderne konsepter er størrelsen på det observerbare universet omtrent 45,7 milliarder lysår (eller 14,6 gigaparsec). Men hva betyr disse tallene?
Grensen til de grenseløse
Det første spørsmålet som kommer til tankene til en vanlig person er hvordan universet overhode ikke kan være uendelig? Det kan virke udiskutabelt at beholderen til alt som finnes rundt oss ikke skal ha grenser. Hvis disse grensene eksisterer, hva er de da?
La oss si at noen astronaut fløy til universets grenser. Hva vil han se foran seg? En solid vegg? Brannbarriere? Og hva ligger bak - tomhet? Et annet univers? Men kan tomhet eller et annet univers bety at vi er på grensen til universet? Tross alt betyr ikke dette at det er "ingenting". Tomheten og det andre universet er også “noe”. Men universet er noe som inneholder absolutt alt “noe”.
Vi kommer til en absolutt motsetning. Det viser seg at universets grense skal skjule for oss noe som ikke burde være. Eller universets grense skal gjerdes av "alt" fra "noe", men dette "noe" bør også være en del av "alt". Generelt sett en fullstendig absurditet. Så hvordan kan forskere hevde universets begrensende størrelse, masse og til og med alder? Disse verdiene, selv om de utenkelig store, er fortsatt endelige. Krangler vitenskapen med det åpenbare? For å takle dette, la oss først spore hvordan mennesker kom til en moderne forståelse av universet.
Salgsfremmende video:
Utvide grensene
Fra uminnelige tider har mennesket vært interessert i hva verden rundt dem er. Man trenger ikke gi eksempler på de tre hvalene og andre forsøk fra antikken til å forklare universet. Som regel kom det til slutt ned på det faktum at grunnlaget for alt det som eksisterer, er det jordiske festet. Selv i antikken og middelalderen, da astronomer hadde omfattende kunnskaper om lovene som styrte bevegelsen av planeter langs den "faste" himmelsk sfære, forble jorden sentrum av universet.
Selv i Antikkens Hellas var det naturlig nok de som trodde at Jorden kretset rundt Sola. Det var de som snakket om de mange verdenene og uendeligheten i universet. Men konstruktiv underbygging av disse teoriene oppstod først ved den vitenskapelige revolusjonen.
På 1500-tallet gjorde den polske astronomen Nicolaus Copernicus det første store gjennombruddet når det gjaldt å forstå universet. Han beviste bestemt at jorden bare er en av planetene som kretser rundt solen. Et slikt system forenklet forklaringen om en så kompleks og intrikat bevegelse av planetene i himmelsk sfære sterkt. Når det gjelder en stasjonær jord, måtte astronomer finne opp alle slags geniale teorier for å forklare planetenes oppførsel. På den annen side, hvis Jorden blir ansett for å være mobil, kommer forklaringen på slike intrikate bevegelser naturlig. Slik ble et nytt paradigme kalt "heliosentrisme" etablert i astronomi.
Mange soler
Selv etter det fortsatte astronomene imidlertid å begrense universet til "sfære av faste stjerner." Inntil 1800-tallet kunne de ikke estimere avstanden til stjernene. I flere århundrer har astronomer forgjeves forsøkt å oppdage avvik i stjernenes stilling i forhold til jordens orbitalbevegelse (årlige parallakser). Tidenes instrumenter tillot ikke så nøyaktige målinger.
Vega, skutt av ESO
Til slutt, i 1837, målte den russisk-tyske astronomen Vasily Struve parallaksen α til Lyra. Dette markerte et nytt skritt i å forstå romskalaen. Nå kan forskere trygt si at stjerner er fjerne likheter med solen. Og fra nå av er lysarmaturen ikke sentrum for alt, men en likeverdig "innbygger" i den uendelige stjerneklyngen.
Astronomer har kommet enda nærmere for å forstå universets omfang, fordi avstandene til stjernene viste seg å være virkelig uhyrlige. Selv størrelsen på banene på planetene virket ubetydelig i sammenligning med dette. Da var det nødvendig å forstå hvordan stjernene er konsentrert i universet.
Mange melkeveier
Den berømte filosofen Immanuel Kant forventet grunnlaget for den moderne forståelsen av den store skalaen til universet allerede i 1755. Han antok at Melkeveien er en enorm roterende klynge av stjerner. På sin side er mange av de observerte nebbene også fjernere "melkeveier" - galakser. Til tross for dette, inntil 1900-tallet, holdt astronomene seg til det faktum at alle tåker er kilder til stjernedannelse og er en del av Melkeveien.
Situasjonen endret seg da astronomer lærte å måle avstander mellom galakser ved bruk av Cepheids. Den absolutte lysstyrken til stjerner av denne typen er strengt avhengig av perioden med variasjon. Ved å sammenligne deres absolutte lysstyrke med den synlige, er det mulig å bestemme avstanden til dem med høy nøyaktighet. Denne metoden ble utviklet på begynnelsen av 1900-tallet av Einar Herzsrung og Harlow Shelpy. Takket være ham bestemte den sovjetiske astronomen Ernst Epik i 1922 avstanden til Andromeda, som viste seg å være en størrelsesorden større enn melkeveien.
Edwin Hubble fortsatte Epics bestrebelser. Ved å måle lysstyrken til Cepheids i andre galakser, målte han avstanden til dem og sammenlignet den med rødskiftet i deres spektre. Så i 1929 utviklet han sin berømte lov. Hans arbeid tilbakeviste definitivt den etablerte troen på at Melkeveien er kanten av universet. Det var nå en av mange galakser som en gang hadde blitt betraktet som en integrert del av den. Kants hypotese ble bekreftet nesten to århundrer etter dens utvikling.
Senere gjorde forbindelsen mellom galaksens avstand fra observatøren og hastigheten på fjerning av den fra observatøren, oppdaget av Hubble, det mulig å komponere et fullstendig bilde av universets storskala struktur. Det viste seg at galaksene bare var en liten del av den. De koblet inn i klynger, klynger til superklynger. I sin tur bretter superklaser seg inn i de største kjente strukturene i universet - filamenter og vegger. Disse strukturene, i tilknytning til enorme supervoids (tomrom), utgjør den store skalaen til det for tiden kjente universet.
Tilsynelatende uendelig
Fra det foregående følger det at vitenskapen gradvis har hoppet fra geosentrisme til en moderne forståelse av universet. Dette gir imidlertid ikke noe svar på hvorfor vi begrenser universet i disse dager. Tross alt handlet det frem til nå bare om kosmos, og ikke om dets natur.
Universets utvikling
Den første som bestemte seg for å rettferdiggjøre universitetets uendelighet, var Isaac Newton. Etter å ha oppdaget loven om universell gravitasjon, mente han at hvis verdensrommet var begrenset, ville alle kroppene hennes før eller siden slå seg sammen til en enkelt helhet. Før noen, hvis noen uttrykte ideen om universets uendelighet, var det utelukkende i en filosofisk nøkkel. Uten noen vitenskapelig begrunnelse. Et eksempel på dette er Giordano Bruno. For øvrig, som Kant, var han foran vitenskapen i mange århundrer. Han var den første som erklærte at stjernene er fjerne soler, og planeter kretser også rundt dem.
Det ser ut til at selve uendelig faktum er ganske rettferdig og åpenbart, men vitenskapens vendepunkt på 1900-tallet rystet denne "sannheten."
Stasjonært univers
Albert Einstein tok det første viktige skrittet mot utviklingen av en moderne universell modell. Den berømte fysikeren introduserte sin modell av et stasjonært univers i 1917. Denne modellen var basert på den generelle relativitetsteorien, som han utviklet samme år tidligere. I følge hans modell er universet uendelig i tid og begrenset i rommet. Men som nevnt tidligere, i følge Newton, skulle et univers av endelig størrelse kollapse. For å gjøre dette introduserte Einstein en kosmologisk konstant, som kompenserte for gravitasjonsattraksjonen til fjerne objekter.
Så paradoksalt som det kan høres ut, begrenset ikke Einstein universets meget endethet. Etter hans mening er universet et lukket skall av en hypersfære. En analogi er overflaten til en vanlig tredimensjonal sfære, for eksempel en jordklode eller jorden. Uansett hvor mye en reisende reiser rundt jorden, vil han aldri nå kanten. Dette betyr imidlertid overhode ikke at jorden er uendelig. Den reisende vil ganske enkelt komme tilbake til stedet der han startet reisen.
På overflaten av hypersfæren
På samme måte kan en romfarer som overvinner Einsteins univers på et stjerneskip, vende tilbake til Jorden. Bare denne gangen beveger vandrer seg seg ikke langs den todimensjonale overflaten av sfæren, men langs den tredimensjonale overflaten på hypersfæren. Dette betyr at universet har et begrenset volum, og derav et begrenset antall stjerner og masse. Universet har imidlertid ingen grenser eller noe sentrum.
Universets fremtid
Einstein kom til slike konklusjoner ved å koble rom, tid og tyngdekraft i sin berømte teori. Før ham ble disse begrepene betraktet som separate, og det er grunnen til at verdensrommet var rent euklidisk. Einstein beviste at tyngdekraften i seg selv er en krumning av romtiden. Dette endret radikalt den tidlige forståelsen av universets natur, basert på klassisk newtonsk mekanikk og euklidisk geometri.
Expanding Universe
Selv oppdageren av det "nye universet" selv var ikke fremmed for villfarelse. Selv om Einstein begrenset universet i verdensrommet, fortsatte han å anse det som statisk. I følge hans modell var og forblir universet evig, og størrelsen forblir alltid den samme. I 1922 utvidet den sovjetiske fysikeren Alexander Fridman denne modellen betydelig. I følge beregningene hans er universet slett ikke statisk. Det kan utvide eller trekke seg sammen over tid. Det er bemerkelsesverdig at Friedman kom til en slik modell, basert på den samme relativitetsteorien. Han var i stand til å anvende denne teorien mer korrekt, ved å omgå den kosmologiske konstanten.
Albert Einstein godtok ikke umiddelbart denne "endringen". Hubble-funnet som ble nevnt tidligere, reddet denne nye modellen. Spredningen av galakser beviste udiskutabelt faktum for utvidelsen av universet. Så Einstein måtte innrømme feilen sin. Nå hadde universet en viss alder, som strengt tatt avhenger av Hubble-konstanten, som kjennetegner hastigheten for dens ekspansjon.
Videreutvikling av kosmologi
Da forskere prøvde å løse dette spørsmålet, ble mange andre viktige komponenter i universet oppdaget og forskjellige modeller ble utviklet. I 1948 introduserte Georgy Gamov hypotesen "om et hett univers", som senere skulle bli til big bang-teorien. Oppdagelsen i 1965 av relikviesstrålingen bekreftet gjetningene hans. Astronomer kunne nå observere lyset som kom fra øyeblikket universet ble gjennomsiktig.
Mørk materie, spådd i 1932 av Fritz Zwicky, ble bekreftet i 1975. Mørk materie forklarer faktisk selve eksistensen av galakser, galaktiske klynger og selve universet som en helhet. Så forskere lærte at mesteparten av universets masse er helt usynlig.
Hva universet er laget av
Til slutt, i 1998, under en studie av avstanden til type Ia supernovaer, ble det oppdaget at universet utvider seg med akselerasjon. Dette neste vendepunktet i vitenskapen ga opphav til den moderne forståelsen av universets natur. Den kosmologiske koeffisienten introdusert av Einstein og tilbakevist av Friedman fant igjen sin plass i modellen til universet. Tilstedeværelsen av den kosmologiske koeffisienten (den kosmologiske konstanten) forklarer dens akselererte ekspansjon. For å forklare tilstedeværelsen av en kosmologisk konstant ble konseptet mørk energi introdusert - et hypotetisk felt som inneholder mesteparten av universets masse.
Den nåværende modellen av universet kalles også ΛCDM-modellen. Brevet "Λ" angir tilstedeværelsen av en kosmologisk konstant som forklarer den akselererte utvidelsen av universet. CDM betyr at universet er fylt med kald mørk materie. Nyere studier indikerer at Hubble-konstanten er omtrent 71 (km / s) / Mpc, noe som tilsvarer alderen på universet 13,75 milliarder år. Når man kjenner universets alder, kan man estimere størrelsen på det observerbare området.
Universets utvikling
I følge relativitetsteorien kan informasjon om ethvert objekt ikke nå observatøren med en hastighet som er større enn lysets hastighet (299792458 km / s). Det viser seg at observatøren ikke bare ser et objekt, men fortiden. Jo lenger objektet er fra det, jo fjernere fortid ser det ut. Ser vi for eksempel på Månen, ser vi hva det var for litt mer enn et sekund siden, Solen - for mer enn åtte minutter siden, de nærmeste stjernene - år, galakser - for millioner av år siden, etc. I Einsteins stasjonære modell har universet ingen aldersgrense, noe som betyr at dets observerbare region heller ikke er begrenset av noe. Observatøren, bevæpnet med mer og mer avanserte astronomiske instrumenter, vil observere mer og mer fjerne og gamle gjenstander.
Vi har et annet bilde med den moderne modellen av universet. Ifølge henne har universet en alder, og derfor en observasjonsgrense. Det vil si, siden fødselen av universet, ville ingen fotoner hatt tid til å reise en avstand større enn 13,75 milliarder lysår. Det viser seg at vi kan slå fast at det observerbare universet er begrenset fra observatøren av en sfærisk region med en radius på 13,75 milliarder lysår. Dette er imidlertid ikke helt sant. Ikke glem utvidelsen av verdensrommet. Inntil fotonet når observatøren, vil objektet som sendte ut det være 45,7 milliarder sv. Fra oss. år gammel. Denne størrelsen er partikelenes horisont, og det er grensen for det observerbare universet.
Så størrelsen på det observerbare universet er delt inn i to typer. Synlig størrelse, også kalt Hubble-radius (13,75 milliarder lysår). Og den virkelige størrelsen, kalt partikkelhorisonten (45,7 milliarder lysår). I hovedsak preger begge disse horisontene overhode ikke den virkelige størrelsen på universet. For det første er de avhengige av observatørens plassering i rommet. For det andre endrer de seg over tid. Når det gjelder ΛCDM-modellen, utvides partikkelhorisonten med en hastighet som er større enn Hubble-horisonten. Spørsmålet om denne trenden vil endre seg i fremtiden, gir moderne vitenskap ikke noe svar. Men hvis vi antar at universet fortsetter å utvide med akselerasjon, vil alle de objektene som vi ser nå, før eller senere, forsvinne fra vårt "synsfelt."
For øyeblikket er det fjerneste lyset som observeres av astronomer, mikrobølgebakgrunnen. Forskere ser på universet som det var 380 tusen år etter Big Bang. I dette øyeblikket har universet avkjølt seg så mye at det var i stand til å sende ut gratis fotoner, som fanges i dag ved hjelp av radioteleskoper. I disse dager var det ingen stjerner eller galakser i universet, men bare en solid sky av hydrogen, helium og en ubetydelig mengde andre elementer. Fra de inhomogeniteter som er observert i denne skyen, vil det deretter danne galaktiske klynger. Det viser seg at nøyaktig de objektene som er dannet fra relikasjonsstrålingens inhomogenitet ligger i nærheten av partikkelhorisonten.
Ekte grenser
Hvorvidt universet har sanne, uobserverbare grenser, er fremdeles gjenstand for pseudovitenskapelige forestillinger. På en eller annen måte konvergerer alle seg til universets uendelighet, men de tolker denne uendelig på helt andre måter. Noen anser universet for å være flerdimensjonalt, der vårt “lokale” tredimensjonale univers bare er et av lagene. Andre sier at universet er fraktalt - noe som betyr at vårt lokale univers kan være en partikkel av en annen. Ikke glem de forskjellige modellene av Multiverse med de lukkede, åpne, parallelle universene, ormehullene. Og det er mange, mange forskjellige versjoner, hvor antallet bare er begrenset av menneskelig fantasi.
Men hvis vi slår på kald realisme eller bare beveger oss bort fra alle disse hypotesene, kan vi anta at universet vårt er et uendelig homogent lager av alle stjerner og galakser. Når det gjelder mange milliarder gigaparsecs fra oss, vil alle forhold være nøyaktig de samme. På dette tidspunktet vil det være nøyaktig den samme horisont av partikler og Hubble-sfæren med samme relikksstråling i kanten. Det vil være de samme stjernene og galakser rundt. Interessant nok er det ikke i strid med universets utvidelse. Det er tross alt ikke bare universet som utvider seg, men selve plassen. Det faktum at universet i øyeblikket med big bang oppsto fra ett punkt, indikerer bare at de uendelig små (praktisk talt null) dimensjonene som da var nå blitt til utenkelig store. I det følgende vil vi bruke akkurat denne hypotesen for å sikre detsom tydelig forstår omfanget av det observerbare universet.
Visuell representasjon
Ulike kilder gir alle slags visuelle modeller som lar mennesker forstå omfanget av universet. Det er imidlertid ikke nok for oss å innse hvor stort kosmos er. Det er viktig å forstå hvordan begreper som Hubble-horisonten og partikkelhorisonten faktisk manifesterer seg. For å gjøre dette, la oss forestille vår modell trinn for trinn.
La oss glemme at moderne vitenskap ikke vet om den "fremmede" regionen av universet. Forkast versjonene om multiversen, det fraktale universet og dets andre "varianter", forestill deg at det ganske enkelt er uendelig. Som nevnt tidligere, er det ikke i strid med utvidelsen av rommet hennes. La oss selvfølgelig ta hensyn til det faktum at Hubble-sfæren og partiklesfären er henholdsvis 13,75 og 45,7 milliarder lysår.
Omfanget av universet
Til å begynne med, la oss prøve å innse hvor stor den universelle skalaen er. Hvis du har reist rundt planeten vår, kan du godt forestille deg hvor stor jorden er for oss. La oss tenke oss planeten vår som et bokhvete korn som går i bane rundt en vannmelon-sol halvparten av størrelsen på en fotballbane. I dette tilfellet vil Neptuns bane svare til størrelsen på en liten by, regionen av Oort-skyen til Månen, regionen for grensen for solens innflytelse til Mars. Det viser seg at solsystemet vårt er like mye større enn jorden som Mars er større enn bokhvete! Men dette er bare begynnelsen.
La oss forestille oss at denne bokhveten vil være vårt system, hvis størrelse er omtrent lik en parsec. Da vil Melkeveien være på størrelse med to fotballstadioner. Selv dette vil imidlertid ikke være nok for oss. Vi må redusere Melkeveien til en centimeter størrelse. Det vil ligne noe på kaffeskum pakket inn i et boblebad midt i det kaffesorte intergalaktiske rommet. 20 centimeter derfra er det den samme spiralformede "krummen" - Andromeda-tåken. Rundt dem vil det være en sverm av små galakser fra vår lokale klynge. Den tilsynelatende størrelsen på universet vårt vil være 9,2 kilometer. Vi har forstått de universelle dimensjonene, inne i den universelle boblen
Det er imidlertid ikke nok for oss å forstå selve skalaen. Det er viktig å forstå universets dynamikk. La oss forestille oss oss som giganter som Melkeveien har en centimeter i diameter for. Som nevnt akkurat nå, befinner vi oss inne i en sfære med en radius på 4,57 og en diameter på 9,24 kilometer. La oss tenke oss at vi er i stand til å sveve inne i denne sfære, reise og overvinne hele megaparsek på et sekund. Hva vil vi se hvis universet vårt er uendelig?
Før oss vil det selvfølgelig være et uendelig antall av alle slags galakser. Elliptisk, spiral, uregelmessig. Noen områder vrimler av dem, andre vil være tomme. Hovedfunksjonen vil være at visuelt vil de alle være bevegelsesløse mens vi er ubevegelige. Men så snart vi tar et skritt, vil galaksene selv begynne å bevege seg. Hvis vi for eksempel kan se det mikroskopiske solsystemet i en centimeter Melkeveien, kan vi se dens utvikling. Når vi beveger oss 600 meter fra galaksen vår, vil vi se protostaren Sol og den protoplanetære disken på dannelsestidspunktet. Når vi nærmer oss det, vil vi se hvordan Jorden ser ut, livet oppstår og mennesket vises. På samme måte vil vi se hvordan galakser forandrer seg og beveger seg når vi beveger oss bort eller nærmer seg dem.
Følgelig, jo fjernere galakser vi ser, jo eldgamere vil de være for oss. Så de fjerneste galaksene vil være lokalisert lenger enn 1300 meter fra oss, og ved 1380-metersskiftet vil vi se relikvienes stråling. Det er sant at denne avstanden vil være tenkt for oss. Når vi kommer nærmere relikviene-strålingen, vil vi imidlertid se et interessant bilde. Naturligvis vil vi se hvordan galakser vil danne seg og utvikle seg fra den opprinnelige skyen av hydrogen. Når vi når en av disse dannede galakene, vil vi forstå at vi ikke har overvunnet 1,375 kilometer i det hele tatt, men alle 4,57.
nedbemanning
Som et resultat vil vi vokse enda mer i størrelse. Nå kan vi plassere hele tomrom og vegger i knyttneven. Så vi befinner oss i en ganske liten boble, hvorfra det er umulig å komme seg ut. Ikke bare vil avstanden til objekter i kanten av boblen øke etter hvert som de kommer nærmere, men selve kanten vil drive uendelig mye. Dette er hele poenget med størrelsen på det observerbare universet.
Uansett hvor stort universet er, for observatøren vil det alltid forbli en begrenset boble. Observatøren vil alltid være i sentrum av denne boblen, faktisk er han dens sentrum. Forsøker å komme til et hvilket som helst objekt i kanten av boblen, vil observatøren forskyve sentrum. Når det nærmer seg objektet, vil dette objektet bevege seg lenger og lenger fra kanten av boblen og samtidig endre seg. Fra en formløs hydrogensky vil den for eksempel bli til en fullverdig galakse eller videre til en galakse-klynge. I tillegg vil banen til dette objektet øke når du nærmer deg det, ettersom det omkringliggende rommet i seg selv vil endre seg. Når vi har kommet til dette objektet, flytter vi det bare fra kanten av boblen til sentrum. I kanten av universet vil også relikvienes stråling flimre.
Hvis vi antar at universet vil fortsette å utvide med en akselerert hastighet, og da være i sentrum av boblen og svingete tid for milliarder, billioner og enda høyere ordre for årene fremover, vil vi merke et enda mer interessant bilde. Selv om boblen vår også vil vokse i størrelse, vil dens mutasjonskomponenter bevege seg bort fra oss enda raskere, og forlate kanten av denne bobla, til hver partikkel av universet vandrer i sin ensomme boble uten evnen til å samhandle med andre partikler.
Så moderne vitenskap har ikke informasjon om hva de virkelige dimensjonene til universet er og om det har grenser. Men vi vet med sikkerhet at det observerbare universet har en synlig og sann grense, kalt Hubble-radius (henholdsvis 13,75 milliarder lysår) og radien for partikler (45,7 milliarder lysår). Disse grensene er helt avhengige av observatørens plassering i rommet og ekspanderer over tid. Hvis Hubble-radiusen utvides strengt med lysets hastighet, akselereres utvidelsen av partikkelhorisonten. Spørsmålet om dens akselerasjon av partikkelhorisonten vil fortsette videre og om den ikke vil endre seg til kompresjon forblir åpen.
