Диаграмма из работы Коперника, показывающая, как планеты в нашей солнечной системе движутся относительно Солнца.
Столетия назад люди смотрели на ночное небо и представляли, что Землю окутывает черный шар. Они считали, что звезды были просто точками света. Солнце, луна и другие планеты вокруг Земли в обычном, идеальный шаблон. В их представлении Вселенная была маленькой, с центром на Земле и организованной в совершенные сферы.
Такие ученые, как Коперник и Галилей, обнаружили недостатки в этой философии. Прошло более века после открытий Галилея, чтобы мир признал, что Земля не является центром Вселенной. Со временем мы начали больше узнавать о Вселенной. Сегодня мы изучаем космос с помощью современных телескопов, спутников и зондов.
Теперь у нас есть изображения галактик в миллионах световых лет от Земли. Ученые регулярно изучают далекие звезды. Они даже обнаружили планеты в солнечных системах далеко за пределами нашей.
Но как насчет общей картины? Что мы знаем о Вселенной в целом? Оно расширяется? Это бесконечно? Если это не бесконечно, что лежит за пределами пространства? А как именно выглядит космос?
Эти вопросы подпадают под категорию космологии, исследования Вселенной. Люди испробовали множество разных подходов к изучению Вселенной. Некоторые сконцентрировались на математике. Другие предпочли использовать физику. И довольно многие придерживались философского подхода.
Среди космологов нет единого мнения о том, как выглядит космос, но существует множество теорий. Отчасти проблема описания пространства заключается в том, что его очень сложно визуализировать. Мы привыкли думать о локациях в двух измерениях. Например, вы можете определить свое местоположение на карте, используя долготу и широту. Но пространство имеет четыре измерения. Вы должны не только добавить глубины к размерам длины и ширины, вы также должны добавить время. Фактически, многие космологи называют эту совокупность измерений пространством-временем.
Какие из основных теорий могут помочь нам выяснить форму пространства? Читай дальше что бы узнать.
До Большого взрыва?
Что было до большого взрыва? Сказать невозможно. Ученые предполагают, что как только вы сжимаете материю Вселенной в сингулярность (точку с нулевым объемом, но бесконечной плотностью), научные законы больше не могут применяться. Поскольку законы физики спорны, невозможно узнать, что произошло до Большого взрыва. Наука не может ответить на этот вопрос.
Большой взрыв, гравитация и общая теория относительности
Спиральная галактика M100, видимая в телескоп Хаббла.
Три теории, которые играют важную роль в понимании формы Вселенной, - это Большой взрыв , теория гравитации и общая теория относительности Эйнштейна . Космологи учитывают все эти теории при формировании гипотез о форме пространства. Но что именно пытаются объяснить эти теории?
Теория большого взрыва - это попытка описать начало Вселенной. Путем наблюдений и анализа астрономы определили, что Вселенная расширяется. Они также обнаружили и изучили свет, возникший миллиарды лет назад, когда Вселенная была очень молодой. Они предположили, что когда-то вся материя и энергия во Вселенной содержались в невероятно крошечной точке. Затем Вселенная внезапно расширилась. Материя и энергия взрывались наружу на миллионы световых лет каждую долю секунды. Они стали строительными блоками Вселенной, какой мы ее знаем.
Теория гравитации утверждает, что каждая частица материи имеет притяжение к любой другой частице материи. В частности, частицы будут притягиваться друг к другу с силой, пропорциональной их массам и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними. Уравнение выглядит так:
F = GMm / r 2 .
F - сила гравитационного притяжения. M и m обозначают массы двух рассматриваемых объектов. R 2 - это квадрат расстояния между двумя объектами. Так что такое G? Это гравитационная постоянная . Он представляет собой постоянную пропорциональность между любыми двумя объектами, независимо от их массы. Гравитационная постоянная составляет 6,672 x 10 -11 Н · м 2 кг -2. Это очень небольшое число, и оно объясняет, почему объекты не всегда просто прилипают друг к другу. Объекты большой массы должны иметь что-то большее, чем незначительное гравитационное воздействие на другие объекты.
Если теория большого взрыва верна, тогда, когда Вселенная возникла, должен был произойти огромный всплеск энергии, который так далеко вытолкнул материю. Ему пришлось преодолеть гравитационное притяжение всего вещества во Вселенной. Сейчас космологи пытаются определить, сколько на самом деле материи во Вселенной. При достаточном количестве вещества гравитационное притяжение постепенно замедлится, а затем обратное расширение Вселенной. В конце концов, Вселенная может сжаться в другую сингулярность. Это называется большим кранчем. Но если материи недостаточно, гравитационное притяжение не будет достаточно сильным, чтобы остановить расширение Вселенной, и оно будет расти бесконечно.
А как насчет теории относительности? Помимо объяснения взаимосвязи между энергией и материей, он также приводит к выводу, что пространство искривлено . Объекты в космосе движутся по эллиптическим орбитам не из-за силы тяжести, а потому, что само пространство искривлено, и поэтому прямая линия на самом деле является петлей. В геометрии прямая линия на искривленной поверхности является геодезической.
Три описанные выше теории составляют основу различных теорий о том, какова на самом деле форма пространства. Но на самом деле нет единого мнения о том, какая форма правильная.
Каковы теоретические формы пространства и почему мы не знаем, какая из них правильная? Узнайте дальше.
Сингулярность
Общая теория относительности предполагает, что непосредственно перед большим взрывом точка с нулевым объемом и бесконечной плотностью содержала всю материю Вселенной. Это явление называется сингулярностью. Материя, попадающая в черную дыру, также попадает в сингулярность, поскольку ее объем уменьшается до нуля, а ее плотность увеличивается до бесконечности.
Формы пространства
На этой иллюстрации вы можете увидеть три различных модели кривизны, которые могут иметь пространство: без кривизны, положительная кривизна и отрицательная кривизна.
Три основные модели Вселенной основаны на кривизне: нулевая кривизна, положительная кривизна и отрицательная кривизна.
Нулевая кривизна означает, что Вселенная является плоской или евклидовой вселенной (евклидова геометрия имеет дело с неизогнутыми поверхностями). Представьте себе пространство как двухмерную структуру - евклидова вселенная будет выглядеть как плоская плоскость. Параллельные линии возможны только на плоской плоскости. В плоской Вселенной достаточно материи, чтобы Вселенная расширялась бесконечно, не превращаясь в коллапс, хотя скорость расширения со временем уменьшается.
Если вселенная имеет положительную кривизну, это замкнутая вселенная . Двумерная модель такой Вселенной выглядела бы как сфера. Невозможно иметь параллельные геодезические (прямые линии на искривленной поверхности) - в какой-то момент эти две линии пересекутся. В закрытой вселенной достаточно вещества, чтобы развернуть вспять. В конце концов такая Вселенная схлопнется сама по себе. Закрытая вселенная - это конечная вселенная - она только расширится до определенного размера, прежде чем схлопнуться.
Отрицательную кривизну немного сложнее визуализировать. Наиболее распространенное описание - седло. В модели с отрицательной кривизной две линии, параллельные на плоской плоскости, будут расходиться друг от друга. Космологи называют модели отрицательной кривизны Вселенной открытыми вселенными. В этих вселенных недостаточно материи, чтобы обратить вспять или замедлить расширение, и поэтому Вселенная продолжает расширяться бесконечно.
Означает ли это, что пространство имеет форму плоской плоскости, сферы или седла? Не обязательно. Помните, что пространство-время измеряется в четырех измерениях, что снижает полезность двумерных примеров. И существует множество конкурирующих теорий о том, какова на самом деле окончательная форма Вселенной.
Одна из возможных форм - тройной тор. На первый взгляд тройной тор кажется обычным кубом. Но каждая грань куба приклеена к грани с противоположной стороны. Представьте, что вы находитесь в космическом корабле, который летит внутри большого куба. Вы направляетесь к вершине куба. Вы не разобьетесь, когда войдете в контакт. Вместо этого вы окажетесь в соответствующем месте у основания куба. Другими словами, вы прошли через верх и вернулись через низ. Если вы продвинетесь достаточно далеко в любом направлении, вы в конце концов вернетесь туда, откуда начали. Это не такая уж чуждая концепция, поскольку на Земле, если вы путешествуете по прямой, вы в конечном итоге вернетесь к своей отправной точке. Вы просто очень устанете.
Другая форма - додекаэдрическая сферическая форма Пуанкаре. Додекаэдр представляет собой 12-сторонний объект. Вариант Пуанкаре имеет поверхности, слегка изогнутые наружу. Что озадачивает, так это то, что предполагаемый размер этой Вселенной меньше, чем область, которую мы действительно можем наблюдать. Другими словами, наша видимость выходит за пределы Вселенной. Нет проблем, говорят космологи. Когда вы смотрите на далекую галактику, которая, казалось бы, лежит за пределами космоса, вы действительно испытываете эффект обертывания, описанный выше. Рассматриваемая галактика действительно была бы позади вас, но вы смотрите через одну грань додекаэдра, как если бы это было окно. Если бы вы могли видеть достаточно далеко, вы бы смотрели на свой затылок.
Головокружение еще не закончилось? Есть много других теоретических форм, которые могла бы принять Вселенная, но большинство из них не соответствует имеющимся у нас свидетельствам. Что это за доказательства и как их собрать? Узнайте дальше.
Как измерить пространство
Видимая или барионная материя.
Оптические телескопы позволяют нам исследовать объекты в видимом спектре света, но это относительно слабые инструменты. Это потому, что свет далеких галактик может перехватывать облака частиц и других тел, прежде чем достигнет Земли. Другие устройства могут измерять длины волн, выходящие далеко за пределы видимого спектра. Многие из недавних исследований в космологии сосредоточены на космическом микроволновом фоне (CMB). CMB - это излучение, которое генерировала Вселенная, когда ей было всего 380 000 лет. Изучая это излучение, космологи могут сделать выводы о том, какой была Вселенная вскоре после ее возникновения.
Используя зонд микроволновой анизотропии Уилкинсона (WMAP), ученые сделали интересное открытие о реликтовом излучении. Они обнаружили, что изменение длины волны излучения реликтового излучения останавливается в определенной точке. В бесконечной, безграничной Вселенной не было бы предела размерам волн. Мы ожидаем увидеть вариации и частоты всех размеров. Только в конечной вселенной или в очень специализированной бесконечной вселенной мы ожидаем увидеть окончательный предел длин волн.
Что касается расширения, космологи называют соотношение количества вещества во Вселенной и количества, необходимого для остановки расширения, параметром плотности. Параметр плотности больше 1 будет означать, что Вселенная замкнута - во Вселенной больше массы, необходимой для обратного расширения. Параметр плотности, равный 1, будет означать плоскую Вселенную, в которой расширение замедляется, но никогда не прекращается. А параметр плотности от 0 до 1 будет означать, что открытая Вселенная будет продолжать расширяться вечно.
Но мы не знаем, сколько на самом деле материи во Вселенной. Количество, которое мы можем обнаружить, относительно невелико - 5 процентов вещества, необходимого для обращения вспять. Но, похоже, есть материя, которую мы вообще не видим. Космологи заметили, что звезды движутся странным образом - они ведут себя так, как будто на них оказывает гравитационное влияние больше материи, чем мы можем обнаружить. Некоторые космологи предполагают, что это означает, что существует некая материя, которую мы вообще не можем видеть, а именно темная материя.
Темная материя.
Но достаточно ли темной материи, чтобы вызвать большой хруст? То есть, достаточно ли материи во Вселенной, чтобы сбалансировать и довести соотношение до 1 или выше? Хотя космологи считают, что во Вселенной гораздо больше темной материи, чем наблюдаемой, они оценивают, что комбинация видимой и темной материи по-прежнему составляет лишь около 30 процентов от количества, необходимого для обратного расширения.
Пока мы не знаем, какова окончательная форма пространства прямо сейчас, исследования продолжают приносить нам новую информацию каждый день. А если у космоса есть границы, что лежит за ними? Мы не знаем и, возможно, не способны знать.
Музыка для моих ушей
В гармониках щипковая струна издает звук с длиной волны, вдвое превышающей длину струны. Невозможно произвести звук с длиной волны больше этой. С точки зрения космоса, отсутствие более длинных волн излучения заставляет некоторых космологов полагать, что Вселенная имеет конечную границу.
