Доктор педагогических наук Е. ЛЕВИТАН.
Вглядитесь в недостижимые ранее глубины Вселенной.
Любознательный пилигрим добрался до "края света" и пытается увидеть: а что же там, за краем?
Иллюстрация к гипотезе рождения метагалактик из распадающегося гигантского пузыря. Пузырь вырос до огромных размеров на стадии стремительного "раздувания" Вселенной. (Рисунок из журнала "Земля и Вселенная".)
Не правда ли, странное название статьи? Разве Вселенная не одна? К концу ХХ века выяснилось, что картина мироздания неизмеримо сложнее той, которая представлялась совершенно очевидной сто лет назад. Ни Земля, ни Солнце, ни наша Галактика не оказались центром Вселенной. На смену геоцентрической, гелиоцентрической и галактоцентрической системам мира пришло представление о том, что мы живем в расширяющейся Метагалактике (наша Вселенная). В ней бесчисленное множество галактик. Каждая, как и наша, состоит из десятков или даже сотен миллиардов звезд-солнц. И нет никакого центра. Обитателям каждой из галактик лишь кажется, что именно от них во все стороны разбегаются другие звездные острова. Несколько десятилетий назад астрономы могли лишь предполагать, что где-то существуют планетные системы, подобные нашей Солнечной. Сейчас - с высокой степенью достоверности называют ряд звезд, у которых обнаружены "протопланетные диски" (из них когда-нибудь сформируются планеты), и уверенно говорят об открытии нескольких планетных систем.
Процесс познания Вселенной бесконечен. И чем дальше, тем все более дерзкие, порой кажущиеся совершенно фантастическими, задачи ставят перед собой исследователи. Так почему же не предположить, что астрономы откроют когда-нибудь другие вселенные? Ведь вполне вероятно, что наша Метагалактика - это не вся Вселенная, а только какая-то ее часть...
Едва ли современные астрономы и даже астрономы очень далекого будущего смогут когда-нибудь увидеть собственными глазами другие вселенные. И все же наука уже сейчас располагает некоторыми данными о том, что наша Метагалактика может оказаться одной из множества мини-вселенных.
Вряд ли кто-нибудь сомневается в том, что жизнь и разум могут возникнуть, существовать и развиваться лишь на определенном этапе эволюции Вселенной. Трудно вообразить, что какие-то формы жизни появились раньше, чем звезды и движущиеся вокруг них планеты. Да и не всякая планета, как мы знаем, пригодна для жизни. Необходимы определенные условия: довольно узкий интервал температур, состав воздуха, пригодный для дыхания, вода... В Солнечной системе в таком "поясе жизни" оказалась Земля. А наше Солнце, вероятно, расположено в "поясе жизни" Галактики (на определенном расстоянии от ее центра).
Таким образом сфотографировано много чрезвычайно
слабых (по блеску) и далеких галактик. У наиболее ярких из них удалось
рассмотреть некоторые подробности: структуру, особенности строения. Блеск
самых слабых из получившихся на снимке галактик - 27,5 m , а точечные
объекты (звезды) еще слабее (до 28,1 m)! Напомним, что невооруженным
глазом люди с хорошим зрением и при самых благоприятных условиях наблюдения
видят звезды примерно 6 m (это в 250 миллионов раз более яркие
объекты, чем те, у которых блеск 27 m).
Создаваемые ныне подобные наземные телескопы
по своим возможностям уже сравнимы с возможностями космического телескопа
Хаббла, а в чем-то даже превосходят их.
А какие условия нужны для того, чтобы
возникли звезды и планеты? Прежде всего, это связано с такими фундаментальными
физическими константами, как постоянная тяготения и константы других физических
взаимодействий (слабого, электромагнитного и сильного). Численные значения
этих констант физикам хорошо известны. Даже школьники, изучая закон всемирного
тяготения, знакомятся с константой (постоянной) тяготения. Студенты из
курса общей физики узнают и о константах трех других видов физического
взаимодействия.
Сравнительно недавно астрофизики и специалисты в области космологии осознали, что именно существующие значения констант физических взаимодействий необходимы, чтобы Вселенная была такой, какая она есть. При других физических константах Вселенная была бы совершенно иной. Например, время жизни Солнца могло быть всего 50 миллионов лет (этого слишком мало для возникновения и развития жизни на планетах). Или, скажем, если бы Вселенная состояла только из водорода или только из гелия - это тоже сделало бы ее совершенно безжизненной. Варианты Вселенной с иными массами протонов, нейтронов, электронов никак не подходят для жизни в том виде, в каком мы ее знаем. Расчеты убеждают: элементарные частицы нам нужны именно такие, какие они есть! И размерность пространства имеет фундаментальное значение для существования как планетных систем, так и отдельных атомов (с движущимися вокруг ядер электронами). Мы живем в трехмерном мире и не могли бы жить в мире с большим или меньшим числом измерений.
Получается, что во Вселенной все будто "подогнано" так, чтобы жизнь в ней могла появиться и развиваться! Мы, конечно, нарисовали очень упрощенную картину, потому что в возникновении и развитии жизни огромную роль играют не только физика, но и химия, и биология. Впрочем, при иной физике иными могли бы стать и химия, и биология...
Все эти рассуждения приводят к тому, что в философии называют антропным принципом. Это попытка рассматривать Вселенную в "человекомерном" измерении, то есть с точки зрения его существования. Сам по себе антропный принцип не может объяснить, почему Вселенная такова, какой мы ее наблюдаем. Но он в какой-то степени помогает исследователям формулировать новые задачи. Например, удивительную "подгонку" фундаментальных свойств нашей Вселенной можно рассматривать как обстоятельство, свидетельствующее об уникальности нашей Вселенной. А отсюда, похоже, один шаг до гипотезы о существовании совершенно других вселенных, миров, абсолютно не похожих на наш. И их число в принципе может быть неограниченно огромным.
Теперь попробуем приблизиться к проблеме существования других вселенных с позиций современной космологии, науки, изучающей Вселенную как целое (в отличие от космогонии, которая исследует происхождение планет, звезд, галактик).
Вспомните, открытие того, что Метагалактика расширяется, почти сразу же привело к гипотезе о Большом взрыве (см. "Наука и жизнь" № 2, 1998 г.). Считается, что он произошел примерно 15 миллиардов лет назад. Очень плотное и горячее вещество проходило одну за другой стадии "горячей Вселенной". Так, через 1 миллиард лет после Большого взрыва из образовавшихся к тому времени облаков водорода и гелия стали возникать "протогалактики" и в них - первые звезды. Гипотеза "горячей Вселенной" основывается на расчетах, позволяющих проследить историю ранней Вселенной начиная буквально с первой секунды.
Вот что об этом писал наш известный физик академик Я. Б. Зельдович: "Теория Большого взрыва в настоящий момент не имеет сколько-нибудь заметных недостатков. Я бы даже сказал, что она столь же надежно установлена и верна, сколь верно, что Земля вращается вокруг Солнца. Обе теории занимали центральное место в картине мироздания своего времени, и обе имели много противников, утверждавших, что новые идеи, заложенные в них, абсурдны и противоречат здравому смыслу. Но подобные выступления не в состоянии препятствовать успеху новых теорий".
Это было сказано в начале 80-х годов, когда уже делались первые попытки существенно дополнить гипотезу "горячей Вселенной" важной идеей о том, что происходило в первую секунду "творения", когда температура была выше 10 28 К. Сделать еще один шаг к "самому началу" удалось благодаря новейшим достижениям физики элементарных частиц. Именно на стыке физики и астрофизики стала развиваться гипотеза "раздувающейся Вселенной" (см. "Наука и жизнь" № 8, 1985 г.). По своей необычности гипотеза "раздувающейся Вселенной" может быть вполне отнесена к числу самых "сумасшедших". Однако из истории науки известно, что именно такие гипотезы и теории нередко становятся важными вехами на пути развития науки.
Суть гипотезы "раздувающейся Вселенной" в том, что в "самом начале" Вселенная чудовищно быстро расширялась. За какие-нибудь 10 -32 с размер рождающейся Вселенной вырос не в 10 раз, как это полагалось бы при "нормальном" расширении, а в 10 50 или даже в 10 1000000 раз. Расширение происходило ускоренно, а энергия в единице объема оставалась неизменной. Ученые доказывают, что начальные моменты расширения происходили в "вакууме". Слово это здесь поставлено в кавычках, поскольку вакуум был не обычным, а ложным, ибо трудно назвать обычным "вакуум" плотностью10 77 кг/м 3 ! Из такого ложного (или физического) вакуума, обладавшего удивительными свойствами (например, отрицательным давлением), могла образоваться не одна, а множество метагалактик (в том числе, конечно, и наша). И каждая из них - это мини-вселенная со своим набором физических констант, своей структурой и другими присущими ей особенностями (подробнее об этом см. "Земля и Вселенная" № 1, 1989 г.).
Но где же эти "родственники" нашей Метагалактики? По всей вероятности, они, как и наша Вселенная, образовались в результате "раздувания" домен ("домены" от французского domaine - область, сфера), на которые немедленно разбилась очень ранняя Вселенная. Поскольку каждая такая область раздулась до размеров, превышающих нынешний размер Метагалактики, то их границы удалены одна от другой на огромные расстояния. Возможно, ближайшая из мини-вселенных находится от нас на расстоянии порядка 10 35 световых лет. Напомним, что размер Метагалактики "всего" 10 10 световых лет! Получается, что не рядом с нами, а где-то очень-очень далеко друг от друга существуют иные, вероятно, совершенно диковинные, по нашим понятиям, миры...
Итак, возможно, что мир, в котором мы живем, значительно сложнее, чем предполагалось до сих пор. Вполне вероятно, что он состоит из бесчисленного множества вселенных во Вселенной. Об этой Большой Вселенной, сложной, удивительно многообразной, мы пока практически ничего не знаем. Но одно все-таки, кажется, знаем. Какими бы ни были далекие от нас другие мини-миры, каждый из них реален. Они не вымышлены, подобно некоторым модным ныне "параллельным" мирам, о которых сейчас нередко толкуют люди, далекие от науки.
Ну, а что же все-таки, в конце концов, получается? Звезды, планеты, галактики, метагалактики все вместе занимают лишь самое крошечное место в безграничных просторах чрезвычайно разреженного вещества... И больше во Вселенной ничего нет? Уж слишком просто... В это как-то даже трудно поверить.
И астрофизики уже давно что-то ищут во Вселенной. Наблюдения свидетельствуют о существовании "скрытой массы", какой-то невидимой "темной" материи. Ее нельзя увидеть даже в самый мощный телескоп, но она проявляет себя своим гравитационным воздействием на обычное вещество. Еще совсем недавно астрофизики предполагали, что в галактиках и в пространстве между ними такой скрытой материи примерно столько же, сколько и наблюдаемого вещества. Однако в последнее время многие исследователи пришли к еще более сенсационному выводу: "нормального" вещества в нашей Вселенной - не более пяти процентов, остальное - "невидимки".
Предполагают, что из них 70 процентов - это равномерно распределенные в пространстве квантомеханические, вакуумные структуры (именно они обусловливают расширение Метагалактики), а 25 процентов - различные экзотические объекты. Например, черные дыры малой массы, почти точечные; очень протяженные объекты - "струны"; доменные стенки, о которых уже мы упоминали. Но кроме таких объектов "скрытую" массу могут составлять целые классы гипотетических элементарных частиц, например "зеркальных частиц". Известный российский астрофизик академик РАН Н. С. Кардашев (когда-то очень давно мы с ним оба были активными членами астрономического кружка при Московском планетарии) предполагает, что из "зеркальных частиц" может состоять невидимый нами "зеркальный мир" со своими планетами и звездами. А вещества в "зеркальном мире" примерно в пять раз больше, чем в нашем. Оказывается, у ученых есть некоторые основания предполагать, что "зеркальный мир" как бы пронизывает наш. Вот только найти его пока не удается.
Идея почти сказочная, фантастическая. Но как знать, может быть, кто-нибудь из вас - нынешних любителей астрономии - станет исследователем в грядущем ХХI веке и сумеет раскрыть тайну "зеркальной Вселенной".
Публикации по теме в "Науке и жизни"
Шульга В. Космические линзы и поиск темного вещества во Вселенной. - 1994, № 2.
Ройзен И. Вселенная между мгновением и вечностью. - 1996, №№ 11, 12.
Сажин М., Шульга В. Загадки космических струн. - 1998, № 4.
Часто употребляемого понятия не так уж просто. Если сформулировать предельно сжато: это все то, что существует. Однако подобный ответ на вопрос о том, что такое Вселенная (определение), толком ничего не разъясняет. Потому остановимся на нем подробнее.
Два варианта
Начать можно с того, что понятие «Вселенная» является фундаментальным сразу в двух крупнейших науках всех времен: философии и астрономии. В целом схожие значения слова имеют принципиальное отличие. В первом случае под Вселенной подразумевается умозрительная структура, во втором же - материальная. Строго говоря, развернутое, но четкое определение «Вселенная - это…» и в философии, и в астрономии отсутствует. При этом каждое исследование, физическое или мысленное, в качестве объекта имеет элемент Вселенной.
Различные науки занимаются наблюдением разных частей целого, обозначаемого как Вселенная. Всю ее пытаются охватить космология и астрономия. Именно с точки зрения этих наук в данной статье и будут даны ответ на вопрос о том, что такое Вселенная, определение понятия как совокупности пространства и времени, существующих а также управляющих ими законов.
В глубине веков
Серьезному пересмотру такая картина мира подверглась лишь после появления работ Коперника и Ньютона. Возникла гелиоцентрическая модель. Открытия галактик и других и явлений существенно дополнили представления ученых о Вселенной. Сегодня изучение удаленных объектов, прогрессивное развитие методов астрономии и космонавтики привели к появлению более или менее четкого понимания о Вселенной. Впрочем, ежедневно поступающие данные, часто не вписывающиеся в существующие теории, позволяют считать любое определение слова «Вселенная» неокончательным.
Состав
Макроструктуру Вселенной можно описать как пространство, имеющее губкообразное строение. Стенки этой структуры образованы огромным числом галактик. Расстояние между соседними из них в большинстве случаев - примерно миллион световых лет.
Главные элементы галактик - звезды, постоянно вращающиеся вокруг единого центра. Основное вещество, составляющее звезды, - это водород. Среди прочих элементов он является основным в нашей Вселенной.
Было ли начало?
Возраст всего сущего - не столь простой вопрос, как может показаться. Для того чтобы на него ответить, для начала необходимо принять тот факт, что Вселенная не существовала вечно. Для мира, привыкшего жить по религиозным канонам, было тяжко примеряться с теорией о бесконечной во времени Вселенной. Также спустя время научное сообщество тяжело свыкалось с мыслью, что появлению мира предшествовало некое событие - слишком это напоминало библейское творение. Однако весомые аргументы сделали теорию большого взрыва, которая у всех сегодня на слуху, ведущей в космологии. Именно в ней описывается момент начала Вселенной. По подсчетам ученых было это 13,7 млрд. лет назад.
Большой взрыв
Главенствующая сегодня теория предполагает, что момент появления Вселенной сопровождался большим взрывом, причем его происхождение в теории не описывается. Колоссальное количество энергии было сжато до невероятно малых размеров и начало расширяться. При этом вещество Вселенной было раскаленным до огромных температур. В таких условиях начали формироваться первые элементарные частицы. Одним из доказательств теории считается реликтовый фон, излучение, источником которого был большой взрыв. Никакие гипотезы, предполагающие вечное существование Вселенной, объяснить его не могут.
Будущее
Вселенная расширяется до сих пор. Существующие модели описания этого процесса не сходятся в основном: в том, каким будет будущее всей системы. Тут возможно два варианта:
- Вселенная будет расширяться бесконечно.
- В определенный момент начнется обратный процесс, и все завершится большим сжатием.
В список вероятных вариантов финала также входит теоретически возможное большое замерзание, тепловая смерть и большой разрыв Вселенной.
Кривизна пространства
Еще одна задача, которую ставит перед учеными Вселенная: определение ее формы. Она до сих пор не нашла решения.
На сегодняшний день непонятно и то, является ли пространство Вселенной плоским. Положительный ответ на этот вопрос делает возможным использование Евклидовой геометрии на территориях космического масштаба. Подавляющее большинство исследователей склоняется к мнению, что пространство Вселенной действительно плоское и обладает складками лишь на небольших участках.
Замкнутая или нет?
Еще один интересный момент: согласно теории большого взрыва Вселенная не обладает как таковыми пространственными границами, однако может быть ограничена. Понимание этого факта станет легче, если представить себе сферу: ее поверхность не имеет границ, но ограничена по площади. Однозначного понимания пространственной структуры Вселенной сегодня нет. Если она подобна все той же сфере, то теоретически движение по прямой в произвольном направлении рано или поздно пройдет через точку своего начала.
Еще множество моментов требуют тщательного исследования. Технический прогресс и научные знания пока не достигли того уровня, при котором мы сможем дать исчерпывающий ответ на вопрос о том, что такое Вселенная. Определение, существующее в астрономии и космологии сегодня, обладает большим числом пробелов и требует уточнения. Впрочем, стремительное развитие техники и частые научные открытия последних лет позволяют надеяться, что в скором времени многие бреши в знаниях будут заполнены.
– бесконечное пространство, возникшее из Большого Взрыва: определение, как устроена, происхождение, эволюция, объекты космоса, исследование Вселенной.
Вселенная – это огромнейшее и неисследованное место. Важно понимать, что на изучение конкретной темы или даже вопроса могут уходить десятки, а то и сотни лет. Существует миллион различных направлений, включающих сотни ответвлений. Чтобы вас не ошарашил такой информационный массив, мы предлагаем список тем, которые раскрывают информацию о Вселенной.
Некоторые думают, что Вселенная закончится взрывом. Она будет сокращаться, пока не вернется в исходную точку. За этим последует новый Большой Взрыв и образуется следующая Вселенная. Это основа циклической версии.
Большая часть научного сообщества соглашается с тем, что Вселенная плоская. Это основание базируется на показаниях прибора WMAP (изучение реликтового излучения). Но есть и те, кто не согласен. Не будем забывать, что не так давно все свято верили в плоскость Земли, так что в таких вопросах всегда остаются сомнения.
Конечно, вышеописанные сведения – всего лишь кратчайшее изложение, а вот детали вы узнаете по ссылкам. Каждая статья раскрывает интересующий вопрос и излагает все на понятном языке. Поэтому вам не придется тратить всю жизнь на изучение Вселенной, ведь ученые предоставили вам готовые сведения. Вы сможете больше узнать о Солнечной системе с описанием, характеристикой и качественными фото планет, а также изучить звезды, галактики, экзопланеты, туманности, звездные скопления, пульсары, квазары, черные дыры, созвездия, темную энергию и темную материю. Нужно лишь перейти по заинтересовавшей ссылке.
Строение Вселенной
Так что же такое Вселенная?
Некоторые даже не понимают, насколько сложным и масштабным выглядит вопрос: «Что такое Вселенная?». Можно потратить десятилетия на исследования и рассекретить лишь верхушку айсберга. Возможно, мы говорим не просто об огромном мире, но бесконечном. Поэтому нужно быть энтузиастом своего дела, чтобы погрузиться во все эти загадки, на расшифровку которых может уйти вся жизнь.
Что же такое Вселенная? Если емко, то это сумма всего существующего. Это все время, пространство, материя и энергия, образовавшиеся и расширяющиеся вот уже 13.8 миллиардов лет. Никто не может точно сказать, насколько обширны просторы нашего мира и пока нет точных предсказаний финала. Но исследования выдвигают множество теорий и пазл за пазлом собирают картинку.
Определение Вселенной
Само слово «Вселенная» происходит от латинского «universum». Впервые его использовал Цицерон, а уже после него оно стало общепринятым у римских авторов. Понятие обозначало мир и космос. На тот момент люди в этих словах видели все известные живые существа, планеты ( , и ) и .
Иногда вместо «Вселенная» используют «космос», которое с греческого переводится как «мир». Кроме того, среди терминов фигурировали «природа» и «все». В современном понятии вмешают все, что существует во Вселенной – наша система, и прочие структуры. Также сюда входят все виды энергии, пространство-время и физические законы.
Иерархическое формирование галактик во Вселенной
Астрофизик Ольга Сильченко о свойствах темной материи, веществе в ранней Вселенной и реликтовом фоне:
Материя и антиматерия во Вселенной
изик Валерий Рубаков о ранней Вселенной, стабильности вещества и барионном заряде:
Происхождение Вселенной
Как появился космос и все, что мы знаем? Вселенная берет свое начало 13.8 лет назад с Большого Взрыва. Это не единственное предположение (теория колеблющейся Вселенной или устойчивого состояния), но только ему удается объяснить появление всей материи, физических законов и прочих формирований. Теория также способна рассказать, почему происходит расширение, что такое реликтовое излучение и прочие известные явления.
Теория Большого Взрыва: сингулярность – стартовая точка, с последующим расширением
Ученые начали рассматривать Вселенную с настоящего момента и постепенно возвращались к стартовой точке. Отсюда выплыло предположение, что все началось с бесконечной плотности и исчисляемого времени, запустивших процесс расширения. После первого этапа температурные показатели упали, что помогло сформироваться субатомным частицам, а после них – простые атомы. Позже гигантские облака этих формирований соединились с гравитационными силами, порождая звезды и галактики.
Официальный возраст Вселенной – 13.8 миллиардов лет. Проводя тесты с ускорителями частиц, теоретическими принципами, а также исследуя небесные объекты, ученым удалось воссоздать этапы событий, чтобы вернуть нас с современности в мгновение начала всего.
Но наиболее отдаленный период Вселенной (от 10 43 до 10 11 секунд) все еще вызывает споры. Стоит учитывать, что современные физические законы к тому времени еще не применимы, поэтому никто не может понять, как повела себя Вселенная. Но все же есть сторонники некоторых теорий, которые помогли выделить главные временные промежутки вселенской эволюции: сингулярность, инфляция и охлаждение.
Сингулярность (эпоха Планка) – самый ранний период Вселенной. На этом этапе материя была собрана в одной точке бесконечной плоскости, где царствовали экстремальные температурные режимы. В физическом плане доминирует исключительно сила гравитации.
Это время длилось от 0 до 10 43 секунд. Свое второе название эпоха получила в честь Планка, потому что лишь эта обсерватория способна проникнуть в такой промежуток. Вселенная была лишенной устойчивости, потому что вещество было не просто невероятно накаленным, но и сверхплотным. По мере расширения и снижения накаленности, возникли физические законы. С 10 43 до 10 36 секунды запустился температурный переход.
Начали выделяться фундаментальные силы, отвечающие за вселенские механизмы. Первой была гравитация, затем электромагнетизм и первая ядерная сила. С 10 32 и до сегодня длится инфляция. Моделирование демонстрирует, что Вселенная была наполнена однородной энергией с высокой плотностью. Расширение заставило ее терять температуру.
Это началось с 10 37 секунд, когда выделение сил привело к экспоненциальному росту. В этот промежуток стартует барионегез – гипотетическое событие, характеризующееся настолько высокими температурными показателями, что случайные движения частиц осуществлялись на релятивистских скоростях. При столкновениях они создавались и уничтожались. Полагают, что именно из-за этого материя преобладает над антиматерией.
Когда инфляция подошла к концу, пространство представляло собою кварк-глюонную плазменную структуру и прочие элементарные частички. С остыванием материя сливалась и формировала новые структуры. Период охлаждения наступил с уменьшением температуры и плотности. В этом процессе элементарные частички и фундаментальные силы приобрели современный вид.
Есть мнение, что через 10 11 секунд энергия стремительно снизилась. Еще спустя 10 6 секунд кварки и глюоны объединились в барионы, что привело к их переизбытку. Температура больше не достигала необходимой отметки, поэтому у протонов-антипротонов исчезла возможность формировать новые пары. Произошла массовая аннигиляция, оставившая лишь 10 10 изначального их количества. То же самое случилось и для электронов и протонов спустя секунду.
Оставшиеся протоны, электроны и нейтроны оставались статичными, поэтому вселенская плотность обеспечивалась только фотонами и нейтрино. Прошло еще несколько минут, и начался нуклеосинтез.
Температура остановилась на отметке в миллиард кельвинов, а плотность уменьшилась. Поэтому протоны и нейтроны начали сливаться, формируя изотоп водорода (дейтерий) и атомы гелия. Но большая часть протонов все же оставалась «одиночной».
Проходит 379000 лет и электроны, объединенные с ядрами водорода, создали атомы, а отделенное излучение продолжило расширяться. Сейчас мы знаем его как реликтовое (древнейший вселенский свет). По мере расширения, его плотность и энергия терялись. Современная температура – 2.7260 ± 0,0013 К (-270,424 °C) и плотность энергии 0,25 эВ/см 3 . Вы можете посмотреть в любую сторону и повсюду натолкнетесь на остатки этого излучения.
Вселенная до горячей стадии
Физик Валерий Рубаков о реликтовом излучении, зарождении неоднородностей и гравитационных волнах:
Эволюция Вселенной
Как происходил процесс развития и эволюции Вселенной? В течение следующих миллиардов лет гравитация заставила более плотные области притягиваться. В этом процессе формировались газовые облака, звезды, галактические структуры и прочие небесные объекты. Этот период именуют Структурной Эпохой, так как именно в этот временной отрезок зарождалась современная Вселенная. Видимое вещество распределялось на различные формирования (звезды в галактики, а те в скопления и сверхскопления).
Ранняя Вселенная
Физик Валерий Рубаков о расширении Вселенной, Большом взрыве и инфляционной модели:
Инфляционная стадия ранней Вселенной
Физик Алексей Старобинский о самой ранней стадии развития Вселенной, пространстве де Ситтера и метрике пространства-времени:
Если говорить о деталях процесса, то они зависят количества и разновидности материи. Можно выделить 4 типа темной: холодная, теплая, горячая и барионная. Из них стандартной считается Лямбда-CDM (холодная темная материя). В ней частички перемещаются со скоростью, уступающей скорости света.
Она составляет 23% вселенской материи, а барионная достигает лишь 4.6%. Лямбда дает отсылку к космологической константе, созданной Альбертом Эйнштейном. Она доказывала, что равновесие массы-энергии остается в статике.
Конечно, черные дыры стали бы притягиваться, порождая настоящих гигантских монстров. Средняя температура пространства достигла бы абсолютного нуля, и черные дыры испарились. Энтропия вырастет до такой степени, что запустит сценарий тепловой смерти, когда уже просто невозможно извлечь никакой организованной формы энергии.
Есть также теория фантомных энергий. Она полагает, что галактические скопления, планеты, звезды, ядра и даже материя разорвутся из-за расширения. Такой исход называют Большим разрывом.
История изучения Вселенной
Если говорить в общем, то природу вещей изучают еще с начала времен. Наиболее ранние известия о Вселенной представлены в мифах и передавались устно. По большей части все начинается с момента творения, за которое ответственен Бог или боги.
Астрономия появилась в Древнем Вавилоне. Созвездия и календари фигурируют у них еще 2000 лет до н.э. Более того, им даже удалось создать предсказания на последующую тысячу лет. Греческие и индийские ученые подходили к вопросам Вселенной с философской стороны, сосредотачиваясь не на божественном вмешательстве, а на причине и следствии. Можно вспомнить Фалеса и Анаксимандра, утверждавших, что все появилось из первозданной материи.
Эмпедокл (5-й век до н.э.) стал первым в западном мире, кто предположил, что Вселенная представлена землей, воздухом, водой и огнем. Эта система стала очень популярной среди философов, так как сильно походила на китайскую: металл, дерево, вода, огонь и земля.
Только с Демокритом приходит теория о неразделимых частицах (атомов), из которых и состоит пространство. Ее продолжил философ из Индии по имени Канада, считавший, что свет и тепло являются одним веществом, просто представленным в разных формах. Буддийский философ Дигнана еще более продвинулся, заявив, что вся материя – энергия.
Идея о конечности времени вошла в христианство, иудаизм и ислам. Они верили, что у Вселенной есть начало и конец. Космология продолжала развиваться, и греки выдвигают геоцентрическую модель, которая гласит, что в центре всего стоит Земля, вокруг которой вращаются небесные тела. Детальнее всего это описано в «Альмагесте» Птолемеем. Это станет каноном и продлится до Средневековья.
Еще до периода научной революции (16-18 века) появлялись ученые, считавшие, что в основе всего должна стоять гелиоцентрическая модель, где в центре нашей системы расположено Солнце. Среди них фигурируют Аристарх Самосский (310-230 гг. до н.э.) и Селевк (190-150 гг. до н.э.).
Хотя в индийские, персидские и арабские философы развивали идеи Птолемея, находились и революционеры. Например, Ас-Сиджизи или Ариабхата. В 16-м веке появляется Николай Коперник. Его заслуга в том, что он выдвинул концепцию гелиоцентрической модели и обосновал доказательства ее верности. Они основывались на 7 принципах:
- Небесные тела не совершают вращение вокруг одной точки.
- Луна вращается вокруг Земли, а все сферы совершают оборот вокруг Солнца, расположенного возле вселенского центра.
- Дистанция Земля-Солнце – это лишь незначительная часть расстояния от Солнца к другим звездам, поэтому мы не видим параллакс.
- Звезды пребывают в неподвижном состоянии – кажущееся движение вызвано земным осевым вращением.
- Земля двигается по орбитальному пути, поэтому кажется, что Солнце мигрирует.
- У Земли наблюдается больше одного движения.
- Орбитальный земной проход создает впечатление, что другие планеты движутся в обратном направлении.
Более расширенная версия его идей появилась в 1532 году, когда дописал «О вращении небесных сфер». В рукописи фигурировали те же аргументы, но уже подкрепленные научными доводами и примерами. Но автор переживал, что его начнут преследовать со стороны церкви и работа увидела свет лишь в 1542 году после его смерти.
За его идеи взялись ученые 16-17-х веков. Особой заслуги достоин Галилео Галилей. При помощи своего нового изобретение (телескоп) он впервые взглянул на Луну, Солнце и Юпитер, которые не вписывались в геоцентрическую модель, зато соответствовали гелиоцентрической.
В начале 17-го века его записи опубликовали. Интересными были наблюдения кратерной поверхности Луны, а также детализация крупнейших спутников Юпитера и выявление солнечных пятен. Не обошел он стороною и Млечный Путь, который до этого считался туманностью. Галилей увидел, что перед ним множество плотно расположенных звезд.
В 1632 году он выступил за гелиоцентрическую модель в трактате «Диалог о двух системах мира». Его аргументы разбили верования Птолемея и Аристотеля. Дальнейшему укреплению способствовала теория Иоганна Кеплера об эллиптических орбитах планет. Дальше появляется Исаак Ньютон, создавший теорию всемирного тяготения. В трактате 1687 года он описал три закона движения:
- При наблюдении в инерциальной системе, объект пребывает в покое или двигается с постоянной скоростью, пока на него не повлияет внешняя сила.
- Векторная сумма внешних сил (F) равняется массе (m) объекта, умноженной на вектор ускорения (a): F = ma.
- Когда первое тело прикладывает силу ко второму, то второе одновременно прикладывает силу, равную по величине и противоположную по направлению к первому.
Все вместе эти принципы описывали связь между объектом, воздействующими силами и движением. Это стало основой для классической механики. С их помощью Ньютон определил массы планет, выравнивание Земли на полюсах и выпуклость на экваторе, а также то, что сила тяжести между Солнцем и Луной создает приливы на Земле.
Следующий прорыв произошел в 1755 году. Иммануил Кант выдвигает идею, что Млечный Путь – огромная звездная коллекция, скрепленная общей гравитацией. Звезды вращаются, формируя сплющенный диск, а Солнечная система расположена внутри него.
В 1785 году Уильям Гершель хотел вычислить форму галактики, но он не догадался, что большая ее часть скрыта за пылью и газом. Пришлось ждать 20-го века и появления Эйнштейна с его Специальной и Общей теориями относительности. Началось с того, что он просто хотел решить законы ньютоновской механики законами электромагнетизма. В 1905 году появилась Специальная теория относительности.
Она утверждала, что скорость света одинакова для всех инерциальных систем координат. Но это вступало в противоречие с предыдущим мнением (свет, проходящий сквозь движущуюся среду, будет следовать вдоль среды, то есть, скорость света равняется сумме скорости прохода сквозь среду и скорость самой среды).
Получается, что эта теория сделала так, что среда вообще оказалась лишней. В 1907-1911х гг. Эйнштейн думал, как применить теорию к гравитационным полям. В итоге, он создал Общую теорию относительности (время относится к наблюдателю и зависит от его расположения в гравитационном поле).
Здесь же появляется принцип эквивалентности – гравитационная масса равняется инерционной массе. Он также предсказал замедление гравитационного времени, существование черных дыр и расширение Вселенной.
В 1915 году появляется радиус Шварцшильда – точка, в которой масса сферы будет так сильно сжата, что скорость ухода с поверхности приравнивается к скорости света (является результатом решения уравнение поля Эйнштейна). В 1931 году Субраманьян Чандрасекар использовал наработки Эйнштейна, чтобы понять, что если масса не вращающегося тела вырожденного электрона выше определенной отметки, то оно само рухнет.
Вселенная – это все то, что существует в физическом плане. Это и законы, и пространство, и время, и материя. Но есть и другое значение вселенной – мир, космос. Считается, что мир существует на протяжении около 14 миллиардов лет. Но ряд ученых не согласен с этим мнением, они говорят о том, что Вселенная существовала, и будет существовать вечно.
Из чего состоит Вселенная: её основные признаки.
На что похожа Вселенная? Это пространство, наполненное особое клочкообразной губкообразной структурой, расширяющееся в пространстве. Стены структуры выполнены из галактик, расположенных на очень большом расстоянии друг от друга – млн. световых лет. Галактики в свою очередь состоят из звёзд.
Факт расширения Вселенной дает возможность говорить о том, что она могла быть рождена в результате Большого взрыва. При помощи WMAP был определен ее приблизительный возраст – 14 млрд. лет. Конечная Вселенная или нет, пока не установлено. Но если принимать во внимание факт, что скорость света конечна, то и Вселенная конечна. Предполагается, что до её границы лежит расстояние, равное 93 млрд. световых лет.
Форма Вселенной необычна. Человечество ещё не нашло такой трёхмерной фигуры, которая могла бы описать её. Дело в том, что до сих пор неясно, является ли мир плоским или нет. Но есть мнение, что он приближен к форме плоскости с включениями пространственно-временных искажений.
Неясно и то, является ли Вселенная множественно-соединенной. Но, если исходить из теории Большого Взрыва, она может иметь ограничения в пространстве, оставаясь пространственно неограниченной. Чтобы было понятно, о чём идёт речь, представьте сферу. Её площадь ограничена, но поверхность сферы границ не имеет.
Исторические модели понимания Вселенной.
Судьба Вселенной и её строение интересовало человечество с древних времен. В Древней Греции предполагали, что в центре мира находится Земля, а вокруг нее вращаются другие планеты и Солнце. А Вселенная, состоящая из звезд, тоже вращается вокруг Земли.
Популярным было и учение Демокрита. Суть его заключалась в том, что Вселенная включает в себя множественные миры, и многие из них обитаемы – в них живут пришельцы .
Затем, благодаря наблюдениям за силой тяжести, была создана гелиоцентрическая модель мира. Дальнейшее изучение астрологии привело к тому, что был открыт и изучен Млечный путь. Современная космология занимается изучением расположения галактик в мире и их спектров. Исходя из последних данных, можно говорить о том, что Вселенная пронизана космическими струнами, состоящими из вакуума. Они опутывают наш мир как паутина.
ВСЕЛЕННАЯ (от греч. «ойкумена» - населенная, обитаемая земля) - «все существующее», «всеобъемлющее миро-вое целое», «тотальность всех вещей»; смысл этих терминов многозначен и определяется концептуальным контекстом. Можно выделить по крайней мере три уровня понятия «Вселенная».
1. Вселенная как философская идея имеет смысл, близкий понятию «универсум», или «мир»: «материальный мир», «сотворенное бытие» и др. Она играет важную роль в европейской философии. Образы Вселенной в философских онтологиях включались в философские основания научных исследований Вселенной.
2. Вселенная в физической космологии, или Вселенная как целое, - объект космологических экстраполяций. В традиционном смысле - всеобъемлющая, неограниченная и принципиально единственная физическая система («Вселенная издана в одном экземпляре» - А. Пуанкаре); материальный мир, рассматриваемый с физико-астрономической точки зрения (А. Л. Зельманов). Разные теории и Модели Вселенной рассматриваются с этой точки зрения как неэквивалентные друг другу одного и того же оригинала. Такое понимание Вселенной как целого обосновывалось по-разному: 1) ссылкой на «презумпцию экстраполируемости»: космология претендует именно на репрезентацию в системе знания своими концептуальными средствами всеобъемлющего мирового целого, и, пока не доказано обратное, эти претензии должны приниматься в полном объеме; 2) логически - Вселенная определяется как всеобъемлющее мировое целое, и других Вселенных не может существовать по определению и т. д. Классическая, Ньютонова космология создала образ Вселенной, бесконечной в пространстве и времени, причем бесконечность считалась атрибутивным свойством Вселенной. Общепринято, что бесконечная гомогенная Все-ленная Ньютона «разрушила» античный космос. Однако научные и философские образы Вселенной продолжают сосуществовать в культуре, взаимообогащая друг друга. Ньютоновская Вселенная разрушила образ античного космоса лишь в том смысле, что отделяла человека от Вселенной и даже противопоставляла их.
В неклассической, релятивистской космологии была впервые построена теория Вселенной. Ее свойства оказались совершенно отличными от ньютоновских. Согласно теории расширяющейся Вселенной, развитой Фридманом, Вселенная как целое может быть и конечной, и бесконечной в пространстве, а во времени она во всяком случае конечна, т.е. имела начало. А. А. Фридман считал, что мир, или Вселенная как объект космологии, «бесконечно уже и меньше мира-вселенной философа». Напротив, подавляющее большинство космологов на основе принципа единообразия отождествляло модели расширяющейся Вселенной с нашей Метагалактикой. Начальный момент расширения Метагалактики рассматривался как абсолютное «начало всего», с креационистской точки зрения - как «сотворение мира». Некоторые космологи-релятивисты, считая принцип единообразия недостаточно обоснованным упрощением, рассматривали Вселенную как всеобъемлющую физическую систему большего масштаба, чем Метагалактика, а Метагалактику - лишь как ограниченную часть Вселенной.
Релятивистская космология коренным образом изменила образ Вселенной в научной картине мира. В мировоззренческом плане она вернулась к образу античного космоса в том смысле, что снова связала человека и (эволюционирующую) Вселенную. Дальнейшим шагом в этом направлении явился антропный принцип в космологии. Современный подход к интерпретации Вселенной как целого основывается, во-первых, на разграничении философской идеи мира и Вселенной как объекта космологии; во-вторых, это понятие релятивизируется, т.е. его объем соотносится с определенной ступенью познания, космологической теорией или моделью - в чисто лингвистическом (безотносительно к их объектному статусу) или же в объектном смысле. Вселенная интерпретировалась, напр., как «наибольшее множество событий, к которому могут быть применены наши физические законы, экстраполированные тем или иным образом» или «могли бы считаться физически связанными с нами» (Г. Бонди). Развитием этого подхода явилась концепция, согласно которой Вселенная в космологии - это «все существующее» не в каком-то абсолютном смысле, а лишь с точки зрения данной космологической теории, т.е. физическая система наибольшего масштаба и порядка, существование которой вытекает из определенной системы физического знания. Это относительная и преходящая граница познанного мегамира, определяемая возможностями экстраполяции системы физического знания. Под Вселенной как целым не во всех случаях подразумевается один и тот же «оригинал». Напротив, разные теории могут иметь в качестве своего объекта неодинаковые оригиналы, т.е. физические системы разного порядка и масштаба структурной иерархии. Но все претензии на репрезентацию всеобъемлющего мирового целого в абсолютном смысле остаются бездоказательными. При интерпретации Вселенной в космологии следует проводить различие между потенциально и актуально существующим. То, что сегодня считается несуществующим, завтра может вступить в сферу научного исследования, окажется существующим (с точки зрения физики) и будет включено в наше понимание Вселенной. Так, если теория расширяющейся Вселенной описывала по сути нашу Метагалактику, то наиболее популярная в современной космологии теория инфляционной («раздувающейся») Вселенной вводит понятие о множестве «других вселенных» (или, в терминах эмпирического языка, внеметагалактических объектов) с качественно различными свойствами. Инфляционная теория признает, т. о., мегаскопическое нарушение принципа единообразия Вселенной и вводит дополнительный ему по смыслу принцип бесконечного многообразия Вселенной. Тотальность этих вселенных И. С. Шкловский предложил назвать «Метавселенной». Инфляционная космология в специфической форме возрождает, т. о., идею бесконечности Вселенной (Метавселенной) как ее бесконечного многообразия. Объекты, подобные Метагалактике, в инфляционной космологии часто называют «минивселенными». Минивселенные возникают путем спонтанных флукгуаций физического вакуума. Из этой точки зрения вытекает, что начальный момент расширения нашей Вселенной, Метагалактики не обязательно должен считаться абсолютным началом всего. Это лишь начальный момент эволюции и самоорганизации одной из космических систем. В некоторых вариантах квантовой космологии понятие Вселенной тесно увязывается с существованием наблюдателя («принцип соучастия»). «Порождая на некотором ограниченном этапе своего существования наблюдателей-участников, не приобретает ли, в свою очередь, Вселенная посредством их наблюдений ту осязаемость, которую мы называем реальностью? Не есть ли это механизм существования?» (Дж. Уилер). Смысл понятия Вселенной и в этом случае определяется теорией, основанной на различении потенциального и актуального существования Вселенной как целого в свете квантового принципа.
3. Вселенная в астрономии (наблюдаемая, или астрономическая Вселенная) - область мира, охваченная наблюдениями, а сейчас отчасти и космическими экспериментами, т.е. «все существующее» с точки зрения имеющихся в астрономии наблюдательных средств и методов исследования. Астрономическая Вселенная представляет собой иерархию космических систем возрастающего масштаба и порядка сложности, которые последовательно открывались и исследовались наукой. Это - Солнечная система, наша звездная система, Галактика (существование которой было доказано В. Гершелем в 18 веке), Метагалактика, открытая Э. Хабблом в 1920-х гг. В настоящее время наблюдению доступны объекты Вселенной, удаленные от нас на рас-стоянии около 9-12 млрд световых лет. На протяжении всей истории астрономии вплоть до 2-й половине 20 века в астрономической Вселенной были известны одни и те же типы небесных тел: планеты, звезды, газопылевое вещество. Современная астрономия открыла принципиально новые, ранее не известные типы небесных тел, в т. ч. сверхплотные объекты в ядрах галактик (возможно, представляющие собой черные дыры). Многие состояния небесных тел в астрономической Вселенной оказались резко нестационарными, неустойчивыми, т.е. находящимися в точках бифуркации. Предполагается, что подавляющая часть (до 90-95%) вещества астрономической Вселенной сосредоточена в невидимых, пока ненаблюдаемых формах («скрытая масса»).
В . В . Казютинский
Новая философская энциклопедия. В четырех томах. / Ин-т философии РАН. Научно-ред. совет: В.С. Степин, А.А. Гусейнов, Г.Ю. Семигин. М., Мысль, 2010, т. I, А - Д, с. 460-461.
Литература:
Фридман Л. А. Избр. труды. М., 1965; Бесконечность и Вселенная. М., 1970; Вселенная, астрономия, философия. М., 1988; Астрономия и современная картина мира. М., 1996; Bondy Н. Cosmology. Cambr., 1952; Munilz М. Space, Time and Creation. N.Y., 1965.
Загрузка...
