Вселенная

Крупномасштабная структура Вселенной

Вселенная — термин, который обычно означает весь пространственно-временной континуум, в котором мы существуем, вместе со всеми формами энергии и материи внутри него — планеты, звёзды, галактики и межгалактическое пространство. Вселенная может использоваться как синоним пространства, мира или даже природы.

Вселенная — это всё, что можно наблюдать или есть основания предполагать. Её изучение является предметом философии и космологии, которая занимается вопросами происхождения, строения и эволюции Вселенной. На каждом этапе развития человечества известна лишь ограниченная часть Вселенной. С совершенствованием технологий и методов её изучения наблюдаемый объём вселенной становится все больше и больше. Метагалактикой называют ту часть, которая доступна для наблюдений в настоящем или ближайшем будущем. Также используются термины известная вселенная, наблюдаемая вселенная или видимая вселенная.

Следует отметить, что некоторые космологи предлагают иную терминологию и определение, принимая модель мультивселенной, согласно которой наша Вселенная является не суммой всей энергии и материи, а просто одной из множества отдельных вселенных, которые могут существовать параллельно и независимо друг от друга.

История познания

Исторически было предложено несколько космологических и космогонических теорий наблюдения за Вселенной. Первые количественные геоцентрические модели были созданы древними греками, которые предполагали, что Вселенная бесконечна и вечно существует, но обладает концентрическими сферами конечного размера, соответствующими звёздам, Солнцу и планетам, вращающимся вокруг сферической, но неподвижной Земли.

После многих лет астрономических наблюдений и научных исследований была выработана гелиоцентрическая система Николая Коперника для построения Вселенной. По его словам, Солнце находится в центре Вселенной, а Земля и другие планеты вращаются вокруг него по концентрическим круговым орбитам. Идея гелиоцентризма была высказана ещё в древности Аристархом Самосским, но Копернику удалось научно обосновать её и ниспровергнуть господствовавшее в то время и официально поддерживаемое Церковью геоцентрическое учение. Используя два основных движения Земли — вращение вокруг своей оси и вокруг Солнца, — Коперник объяснил сложные движения планет, смену времен года и явление прецессии, определил относительные расстояния планет от Солнца.

Гелиоцентрическая система изложена в его бессмертном труде «О вращении небесных сфер», над которым он работал более 40 лет. После этого Ньютон открыл закон всемирного тяготения, на основе которого объясняется строение Солнечной системы и всей нашей галактики (Млечного Пути).

Дальнейшее развитие астрономии привело к открытию многих других галактик. С усовершенствованием оптических приборов, изучением спектральных линий галактик и других астрономических объектов наука установила существование красного смещения и реликтового излучения, свидетельствующих о расширении Вселенной и её возможном начале. Эти знания лежат в основе современной космологии.

Согласно теории Большого взрыва, которая распространена в научном сообществе, расширение Вселенной началось с чрезвычайно горячей и плотной фазы, называемой Планковская эпоха, когда вся масса и энергия наблюдаемой Вселенной были сосредоточены в очень маленьком пространстве. С тех пор Вселенная расширилась, достигнув своего нынешнего состояния. Несколько независимых экспериментов подтверждают теоретические положения теории Большого взрыва. По их мнению, Вселенная будет продолжать расширяться бесконечно. В последнее время считается, что это расширение ускоряется из-за тёмной энергии и тёмной материи. Согласно общей теории относительности, пространство может расширяться со скоростью, превышающей скорость света, но мы можем видеть только малую часть из-за ограничения, накладываемого скоростью света. Поскольку мы не можем проводить наблюдения за пределами диапазона света (или любого другого электромагнитного излучения), остается неясным, конечна Вселенная или бесконечна.

Физические характеристики

Размер и плотность

Наблюдаемая Вселенная простирается по меньшей мере на 93 миллиарда световых лет. Для сравнения, диаметр типичной галактики составляет всего 30 000 световых лет, а типичное расстояние между двумя соседними галактиками составляет 3 миллиона световых лет. Например, Млечный Путь имеет диаметр около 100 000 световых лет, а ближайшая Галактика Андромеды находится на расстоянии 2,5 миллиона световых лет.

В наблюдаемой Вселенной насчитывается, вероятно, 100 миллиардов (10¹¹) галактик. В самых маленьких галактиках около 10 миллионов звёзд, (10⁷), а в самых больших — несколько триллионов (10¹²) звёзд. По грубой оценке количество звёзд в наблюдаемой Вселенной составляет более одного секстиллиона (10²¹), хотя некоторые астрономы оценивают их примерно в 70 секстиллионов (7 x 10²²). Материя распределена однородно, если усреднить её на расстоянии 300 миллионов световых лет. Однако в меньшем масштабе материя имеет комки. Атомы образуют звёзды, звёзды образуют галактики, галактики образуют скопления галактик и, наконец, сверхскопления (скопления скоплений). Вещество также изотропно, а это означает, что нет разницы в его распределении по разным направлениям. Вселенная также обладает высокоизотропным микроволновым электромагнитным излучением, которое соответствует тепловому излучению абсолютно чёрного тела при температуре 2725 К. Гипотеза о том, что крупномасштабная структура Вселенной однородна и изотропна, называется космологическим принципом, который подтверждается астрономическими наблюдениями. Плотность тока во Вселенной очень низкая, примерно 9,9 × 10-30 граммов на кубический сантиметр. Соотношение массы и энергии состоит из 73 % тёмной энергии, 23 % холодной тёмной материи и 4 % обычной материи. Свойства и характеристики тёмной материи и тёмной энергии почти полностью неизвестны. Тёмная материя ведет себя как обычная материя и замедляет расширение Вселенной. Тёмная энергия, с другой стороны, ускоряет расширение.

Возраст

Вселенная очень стара. Относительно общепринятая оценка её возраста составляет 13,73 ± 0,12 миллиарда лет, основанная на наблюдениях за реликтовым излучением. Существуют и другие методы (например, с использованием радиоактивных изотопов), но они значительно менее точны и дают оценки от 11 до 20 миллиардов лет или от 13 до 15 миллиардов лет. Вселенная постоянно меняется, и исторически она никогда не была прежней. Например, меняется количество квазаров и галактик, расширяется само галактическое пространство. Учёные, проводящие наземные наблюдения (и, следовательно, с учётом ряда ограничений), должны помнить, что когда они наблюдают свет из галактики, удаленной на 30 миллиардов световых лет, этот свет на самом деле путешествовал всего 13 миллиардов лет, потому что пространство между объектом и его наблюдателем расширялось. Это подтверждается наблюдениями далеких галактик, в которых наблюдается красное смещение. Испускаемые фотоны во время своего путешествия смещаются к более длинной длине волны и более низкой частоте. Наблюдения за сверхновой типа Ia показывают, что этот процесс расширения ускоряется.

Состав и структура

Содержание различных химических элементов, особенно лёгких, таких как водород, дейтерий и гелий, кажется одинаковым во всей наблюдаемой Вселенной. Количество вещества намного больше количества антивещества, возможно, из-за нарушения СРT-инвариантности. Электрического заряда нет вообще, поэтому кажется, что гравитация является преобладающей силой взаимодействия, когда речь идет о космических измерениях. Не существует ни импульса, ни момента импульса Вселенной. Космос имеет гладкий пространственно-временной континуум, состоящий из трёх пространственных и одного временного измерений. Трехмерное пространство плоское (его кривизна очень близка к нулю), а это означает, что евклидову геометрию можно использовать для очень хороших приближений. Пространство-время также имеет простую топологию. Однако не следует исключать возможность существования большего количества измерений и гораздо более сложных топологий и отношений между ними.

Форма обычно означает топологию и кривизну, хотя реальная картина намного сложнее. Анализ данных реликтового излучения приводит к выводу, что Вселенная в пространственном отношении плоская, а это означает, что можно применять евклидову геометрию. Ошибка составляет менее двух процентов. Космологи обычно работают со «срезом» пространственно-временного континуума. Что касается наблюдений, область пространства-времени, которую можно наблюдать, представляет собой обратный световой конус. Если наблюдаемая Вселенная меньше, чем вся Вселенная, глобальная структура не может быть определена только наблюдениями, потому что она ограничивает нас лишь небольшой её частью.

Физические законы

Согласно Стандартной модели, материя состоит из трех поколений лептонов и кварков, которые являются фермионами. Эти элементарные частицы взаимодействуют друг с другом посредством трех фундаментальных взаимодействий: электрического, включающего электромагнетизм и слабое ядерное взаимодействие; сильное ядерное взаимодействие, описываемое квантовой хромодинамикой; и гравитация, описанная общей теорией относительности. Первые два могут быть описаны квантовой теорией поля. С некоторыми ограничениями для Метагалактики справедлива специальная теория относительности. Нет ответа на вопрос, почему физические константы сохраняют свои значения и почему они имеют такие значения, как постоянная Планка h и гравитационная постоянная G. Известно несколько законов сохранения: закон сохранения электрического заряда, закон сохранения импульса, закон сохранения импульса и закон сохранения энергии. Они связаны с симметриями и математическими тождествами.

Взгляды на возникновение

Большой взрыв

Большой взрыв — это научная теория космологии, описывающая раннее развитие Вселенной. Расширение Вселенной, которое следует из уравнений общей теории относительности, подтверждается наблюдениями разлетающихся галактик. Экстраполируя назад во времени, можно сделать вывод, что Вселенная была либо очень маленькой, либо вообще собралась в точку — так называемую сингулярность. Теорема Хокинга-Пенроуза показывает, что из уравнений общей теории относительности следует, что такая точка, дающая начало пространству и времени, должна была существовать. Естественным следствием этого является то, что в прошлом Вселенная имела более высокую температуру и более высокую плотность.

Термин «Большой взрыв» используется как узко для обозначения момента, когда началось расширение Вселенной, так и в более общем смысле для преобладающей космологической концепции, объясняющей происхождение и эволюцию Вселенной сегодня. Термин «Большой взрыв» был придуман в 1949 году Фредом Хойлом в радиопрограмме BBC. Одним из следствий Большого взрыва является то, что условия во Вселенной сегодня отличаются от тех, что были в прошлом или будут в будущем. Согласно этой модели, в конце 1940-х годов учёными было предсказано, что должно оставаться остаточное излучение, оставшееся от ранней горячей фазы Вселенной, которое должно иметь спектр абсолютно чёрного тела и приходить со всех направлений в небе. Так называемое реликтовое излучение было открыто в 1960-х годах и послужило подтверждением теории Большого взрыва против её основной альтернативы, теории стационарного состояния. Согласно теории Большого взрыва, 13,8 миллиарда лет назад Вселенная находилась в бесконечно плотном состоянии с огромной температурой и давлением. Не существует удовлетворительной физической модели для первых 10-33 секунд существования Вселенной. Общая теория относительности предсказывает гравитационную сингулярность, в которой плотность становится бесконечной. Чтобы разрешить этот парадокс, нужна теория квантовой гравитации.

Мультивселенная

Мультивселенная или мегавселенная — это гипотетическая совокупность всех возможных реально существующих параллельных вселенных (включая нашу собственную), которые вместе содержат все сущее — пространство, время, все формы материи, энергию, импульс, физические законы и константы, находящиеся в силе в них. Это одна из так называемых непроверяемых теорий, поскольку она не подлежит экспериментальной проверке. Этот термин был впервые введен американским философом и психологом Уильямом Джеймсом в 1895 году, а затем популяризирован писателем-фантастом Майклом Муркоком. Космолог Макс Тегмарк выдвинул гипотезу, что каждому математически непротиворечивому набору физических законов соответствует независимая, но реально существующая Вселенная. Хотя это предположение нельзя проверить экспериментально, оно, по крайней мере, дает ответ на вопрос, почему наблюдаемые физические законы и физические константы таковы, какие они есть. Согласно его таксономии, существуют уровни, которые устроены таким образом, что каждый последующий уровень содержит предыдущие и строится на них.