Visste du att universum vi observerar har ganska bestämda gränser? Vi är vana att associera universum med något oändligt och obegripligt. Men modern vetenskap till frågan om universumets "oändlighet" erbjuder emellertid ett helt annat svar på en så "uppenbar" fråga.
Enligt moderna koncept är storleken på det observerbara universum cirka 45,7 miljarder ljusår (eller 14,6 gigaparsec). Men vad betyder dessa siffror?
Gränslös gräns
Den första frågan som tänker på en vanlig person är hur universum alls inte kan vara oändliga? Det verkar obestridligt att behållaren med allt som finns runt oss inte ska ha gränser. Om dessa gränser finns, vad är de då?
Låt oss säga att någon astronaut flög till universumets gränser. Vad kommer han att se framför sig? En solid vägg? Brandbarriär? Och vad ligger bakom det - tomhet? Ett annat universum? Men kan tomhet eller annat universum innebära att vi är på universums gräns? När allt kommer omkring betyder detta inte att det finns "ingenting". Tomheten och det andra universum är också "något". Men universum är något som innehåller absolut allt "något".
Vi kommer till en absolut motsägelse. Det visar sig att universumets gräns borde dölja för oss något som inte borde vara. Eller gränsen till universum bör stänga av "allt" från "något", men detta "något" borde också vara en del av "allt". I allmänhet en fullständig absurditet. Hur kan forskare då påstå universums begränsande storlek, massa och till och med ålder? Dessa värden, även om de inte kan föreställas stora, är fortfarande begränsade. Argumenterar vetenskapen med det uppenbara? För att hantera detta, låt oss först spåra hur människor kom till en modern förståelse av universum.
Kampanjvideo:
Utöka gränserna
Människor har från tidiga tider varit intresserade av vad världen omkring dem är. Man behöver inte ge exempel på de tre valarna och andra försök från forntiden att förklara universum. I regel slutade det allt på det faktum att grunden till allt som finns är det jordiska fästet. Till och med under antiken och medeltiden, när astronomer hade omfattande kunskap om lagarna som styr rörelserna för planeter längs den "fasta" himmelsfären, förblev jorden universums centrum.
Naturligtvis var det även i antika Grekland de som trodde att jorden kretsade kring solen. Det fanns de som talade om de många världarna och universitetets oändlighet. Men konstruktiv underbyggnad av dessa teorier uppstod endast vid den vetenskapliga revolutionens början.
På 1500-talet gjorde den polska astronomen Nicolaus Copernicus det första stora genombrottet för att förstå universum. Han bevisade fast att jorden bara är en av planeter som kretsar runt solen. Ett sådant system förenklade avsevärt förklaringen till en så komplex och komplicerad rörelse av planeterna i himmelsfären. När det gäller en stationär jord måste astronomer uppfinna alla slags geniala teorier för att förklara planetenes beteende. Å andra sidan, om jorden anses vara mobil, kommer förklaringen för sådana intrikata rörelser naturligt. Så här skapades ett nytt paradigm som kallas "heliocentrism" i astronomin.
Många solar
Men även efter det fortsatte astronomer att begränsa universum till "sfären av fasta stjärnor." Fram till 1800-talet kunde de inte uppskatta avståndet till stjärnorna. Under flera århundraden har astronomer förgäves försökt upptäcka avvikelser i stjärnornas position relativt jordens orbitalrörelse (årliga parallaxer). Tidsinstrumenten tillät inte sådana exakta mätningar.
Vega, skott av ESO
Slutligen, 1837, mätte den ryska-tyska astronomen Vasily Struve parallaxa of av Lyra. Detta markerade ett nytt steg för att förstå rymdens omfattning. Nu kan forskare säkert säga att stjärnor är avlägsna likheter med solen. Och från och med nu är vårt ljus inte centrum för allt utan en lika "invånare" i det oändliga stjärnklusteret.
Astronomer har kommit ännu närmare förståelse av universums omfattning, eftersom avståndet till stjärnorna visade sig vara verkligt monströst. Till och med storleken på planeternas banor verkade obetydlig i jämförelse med detta. Då var det nödvändigt att förstå hur stjärnorna är koncentrerade i universum.
Många Vintergatan
Den berömda filosofen Immanuel Kant förutsåg grunden för den moderna förståelsen av universums storskaliga struktur 1755. Han ansåg att Vintergatan är en enorm roterande grupp av stjärnor. I sin tur är många av de observerade nebulosorna också mer avlägsna "mjölkiga sätt" - galaxer. Trots detta höll astronomer fram till 1900-talet fast vid att alla nebulosor är källor till stjärnbildning och är en del av Vintergatan.
Situationen förändrades när astronomer lärde sig att mäta avstånd mellan galaxer med hjälp av Cepheids. Den absoluta ljusstyrkan hos stjärnor av denna typ är strikt beroende av perioden för deras variation. Genom att jämföra deras absoluta ljusstyrka med den synliga är det möjligt att bestämma avståndet till dem med hög noggrannhet. Denna metod utvecklades i början av 1900-talet av Einar Herzsrung och Harlow Shelpy. Tack vare honom bestämde den sovjetiska astronomen Ernst Epik 1922 avståndet till Andromeda, som visade sig vara en storleksordning större än mjölkvägens storlek.
Edwin Hubble fortsatte Epics strävan. Genom att mäta Cepheids ljusstyrka i andra galaxer mätte han avståndet till dem och jämförde det med den röda skiftningen i deras spektra. Så 1929 utvecklade han sin berömda lag. Hans arbete motbevisade definitivt den etablerade tron på att Vintergatan är universumets kant. Det var nu en av många galaxer som en gång hade betraktats som en integrerad del av den. Kants hypotes bekräftades nästan två århundraden efter dess utveckling.
Senare gjorde sambandet mellan galaxens avstånd från observatören och hastigheten för dess borttagning från observatören, upptäckt av Hubble, det möjligt att komponera en fullständig bild av universums storskaliga struktur. Det visade sig att galaxerna bara var en liten del av den. De kopplade till kluster, kluster till superkluster. I sin tur viks superkluster in i de största kända strukturerna i universum - filament och väggar. Dessa strukturer, intill enorma supervoids (tomrum), utgör den storskaliga strukturen i det för närvarande kända universum.
Tydlig oändlighet
Av det föregående följer att på bara några århundraden har vetenskapen gradvis hoppat från geocentrism till en modern förståelse av universum. Detta ger emellertid inte ett svar på varför vi begränsar universumet i dag. När allt kommer omkring, fram till nu handlade det bara om kosmos, och inte om dess natur.
Universums utveckling
Den första som beslutade att rättfärdiga universitetets oändlighet var Isaac Newton. Efter att ha upptäckt lagen om universell gravitation trodde han att om rymden var begränsad skulle alla hennes kropp förr eller senare smälta samman till en enda helhet. Före honom, om någon uttryckte tanken på universitetets oändlighet, var det uteslutande i en filosofisk nyckel. Utan någon vetenskaplig motivering. Ett exempel på detta är Giordano Bruno. Förresten, som Kant, var han framför vetenskapen under många århundraden. Han var den första som förklarade att stjärnorna är avlägsna solar och planeter kretsar också runt dem.
Det verkar som om själva oändligheten är helt rättfärdig och uppenbar, men vetenskapens vändpunkter på 1900-talet skakade denna "sanning".
Stationärt universum
Albert Einstein tog det första viktiga steget mot utvecklingen av en modern universummodell. Den berömda fysikern introducerade sin modell av ett stationärt universum 1917. Denna modell baserades på den allmänna relativitetsteorin, som han utvecklade samma år tidigare. Enligt hans modell är universum oändligt i tid och ändligt i rymden. Men, som noterats tidigare, enligt Newton borde ett universum av begränsad storlek kollapsa. För att göra detta introducerade Einstein en kosmologisk konstant, som kompenserade för gravitationskraften hos avlägsna föremål.
Så paradoxalt som det kan låta begränsade Einstein inte universumets mycket finitet. Enligt hans åsikt är universum ett slutet skal på en hypersfär. En analogi är ytan på en vanlig tredimensionell sfär, till exempel en jordklot eller jorden. Oavsett hur mycket en resenär reser runt jorden kommer han aldrig att nå sin kant. Detta betyder dock inte alls att jorden är oändlig. Resenären kommer helt enkelt tillbaka till den plats där han började sin resa.
På ytan av hypersfären
Likaså kan en rymdvandrare som övervinner Einsteins universum på ett rymdskepp återvända till jorden. Bara den här gången rör sig vandraren inte längs sfärens tvådimensionella yta utan längs den tredimensionella ytan på hypersfären. Detta innebär att universum har en ändlig volym och därmed ett begränsat antal stjärnor och massa. Men universum har inga gränser eller något centrum.
Universumets framtid
Einstein kom till sådana slutsatser genom att länka utrymme, tid och allvar i sin berömda teori. Före honom ansågs dessa begrepp som separata, varför universumets rymd var rent euklidiskt. Einstein bevisade att tyngdkraften i sig är en krökning av rymdtiden. Detta förändrade radikalt den tidiga förståelsen av universums natur, baserad på klassisk Newtonian mekanik och euklidisk geometri.
Expanding Universe
Till och med upptäckaren av det "nya universum" själv var inte främling för illusioner. Även om Einstein begränsade universum i rymden fortsatte han att betrakta det som statiskt. Enligt hans modell var och förblir universum evigt, och dess storlek förblir alltid densamma. 1922 utvidgade den sovjetiska fysikern Alexander Fridman avsevärt denna modell. Enligt hans beräkningar är universum inte alls statiska. Det kan expandera eller kontrahera med tiden. Det är anmärkningsvärt att Friedman kom till en sådan modell, baserad på samma relativitetsteori. Han kunde tillämpa denna teori på rätt sätt genom att kringgå den kosmologiska konstanten.
Albert Einstein accepterade inte omedelbart detta "ändringsförslag". Hubble-upptäckten som nämnts tidigare kom till att rädda denna nya modell. Spridningen av galaxer bevisade obestridligt faktumet för universums expansion. Så Einstein var tvungen att erkänna sitt misstag. Nu hade universum en viss ålder, som strikt beror på Hubble-konstanten, som kännetecknar hastigheten för dess expansion.
Vidareutveckling av kosmologi
När forskarna försökte lösa denna fråga upptäcktes många andra viktiga komponenter i universum och olika modeller utvecklades. Så 1948 introducerade Georgy Gamov hypotesen "om ett hett universum", som senare skulle förvandlas till big bang-teorin. Upptäckten 1965 av relikstrålningen bekräftade hans gissningar. Astronomer kunde nu observera ljuset som kom från det ögonblick universum blev transparent.
Mörk materia, som förutsågs 1932 av Fritz Zwicky, bekräftades 1975. Mörk materia förklarar faktiskt själva existensen av galaxer, galaktiska kluster och själva universum som helhet. Så forskare fick veta att större delen av universumets massa är helt osynlig.
Vad universum är gjort av
Slutligen, 1998, under en studie av avståndet till typen Ia supernovaer, upptäcktes att universum expanderar med acceleration. Denna nästa vändpunkt i vetenskapen gav upphov till den moderna förståelsen av universums natur. Den kosmologiska koefficienten som infördes av Einstein och motbevist av Friedman fann återigen sin plats i universumets modell. Närvaron av den kosmologiska koefficienten (den kosmologiska konstanten) förklarar dess accelererade expansion. För att förklara närvaron av en kosmologisk konstant introducerades begreppet mörk energi - ett hypotetiskt fält som innehöll större delen av universumets massa.
Universumets nuvarande modell kallas också ΛCDM-modellen. Brevet "Λ" anger närvaron av en kosmologisk konstant som förklarar universums accelererade expansion. CDM betyder att universum är fylld med kall mörk materia. Nya studier indikerar att Hubble-konstanten är cirka 71 (km / s) / Mpc, vilket motsvarar universumets ålder 13,75 miljarder år. Genom att känna till universumets ålder kan man uppskatta storleken på dess observerbara område.
Universums utveckling
Enligt relativitetsteorin kan information om något objekt inte nå observatören med en hastighet större än ljusets hastighet (299792458 km / s). Det visar sig att observatören inte bara ser ett objekt utan dess förflutna. Ju längre objektet är från det, desto mer avlägset förflutna ser det ut. Om vi till exempel tittar på månen ser vi vad den var för lite mer än en sekund sedan, solen - för mer än åtta minuter sedan, de närmaste stjärnorna - år, galaxer - för miljoner år sedan, etc. I Einsteins stationära modell har universum ingen åldersgräns, vilket innebär att dess observerbara region inte heller är begränsad av någonting. Observatören, beväpnad med mer och mer avancerade astronomiska instrument, kommer att observera mer och mer avlägsna och forntida föremål.
Vi har en annan bild med universums moderna modell. Enligt henne har universum en ålder och därför en observationsgräns. Det är, sedan universumets födelse skulle ingen foton ha haft tid att resa ett avstånd större än 13,75 miljarder ljusår. Det visar sig att vi kan säga att det observerbara universum är begränsat från observatören av en sfärisk region med en radie på 13,75 miljarder ljusår. Detta är dock inte riktigt sant. Glöm inte utbyggnaden av universumets rymd. Tills fotonen når observatören kommer objektet som emitterade den att vara 45,7 miljarder sv från oss. år gammal. Denna storlek är partiklarnas horisont, och det är gränsen för det observerbara universum.
Så storleken på det observerbara universum är indelat i två typer. Synlig storlek, även kallad Hubble-radien (13,75 miljarder ljusår). Och den verkliga storleken, kallad partikelhorisonten (45,7 miljarder ljusår). I grund och botten präglar båda dessa horisonter inte alls universums verkliga storlek. Först beror de på observatörens position i rymden. För det andra förändras de med tiden. När det gäller ΛCDM-modellen expanderar partikelhorisonten med en hastighet större än Hubble-horisonten. Frågan om denna trend kommer att förändras i framtiden ger modern vetenskap inte ett svar. Men om vi antar att universum fortsätter att expandera med acceleration, kommer alla de objekt som vi ser nu, förr eller senare, att försvinna från vårt "synfält."
För närvarande är det mest avlägsna ljuset som observeras av astronomer mikrovågsbakgrundsstrålningen. I forskningen ser forskarna universum som det var 380 tusen år efter Big Bang. Just nu har universum svalnat så mycket att det lyckades släppa ut gratis fotoner, som fångas idag med hjälp av radioteleskop. På dessa dagar fanns det inga stjärnor eller galaxer i universum, utan bara ett fast moln av väte, helium och en obetydlig mängd andra element. Från de inhomogeniteter som observerats i detta moln bildas därefter galaktiska kluster. Det visar sig att exakt de föremål som bildas av reliktstrålningens inhomogenitet ligger närmast partikelhorisonten.
Sanna gränser
Huruvida universum har verkliga, obemärkliga gränser är fortfarande föremål för pseudovetenskapliga antaganden. På ett eller annat sätt konvergerar alla till universumets oändlighet, men de tolkar denna oändlighet på helt olika sätt. Vissa anser att universum är flerdimensionellt, där vårt "lokala" tredimensionella universum bara är ett av dess lager. Andra säger att universum är fraktalt - vilket innebär att vårt lokala universum kan vara en partikel av en annan. Glöm inte de olika modellerna i Multiverse med dess stängda, öppna, parallella universum, maskhål. Och det finns många, många olika versioner, antalet begränsas endast av människans fantasi.
Men om vi aktiverar kallrealism eller helt enkelt flyttar oss från alla dessa hypoteser, kan vi anta att vårt universum är ett oändligt homogent förvar med alla stjärnor och galaxer. Vid varje mycket avlägsen punkt, oavsett om det är miljarder gigaparsec från oss, kommer alla förhållanden att vara exakt desamma. Vid denna punkt kommer det att finnas exakt samma horisont för partiklar och Hubble-sfären med samma relikstrålning vid deras kant. Det kommer att finnas samma stjärnor och galaxer runt omkring. Intressant nog står det inte i strid med universums expansion. När allt är det inte bara universum som expanderar, utan dess mycket utrymme. Det faktum att universum i ögonblicket av olyckan uppstod från en punkt tyder bara på att de oändligt små (praktiskt taget noll) dimensioner som då var nu har förvandlats till otänkbart stora. I det följande kommer vi att använda just denna hypotes för att säkerställa detsom tydligt förstår skalan på det observerbara universum.
Visuell representation
Olika källor tillhandahåller alla typer av visuella modeller som gör det möjligt för människor att förstå universums omfattning. Det räcker dock inte för oss att inse hur stor kosmos är. Det är viktigt att förstå hur begrepp som Hubble-horisonten och partikelhorisonten faktiskt visar sig. För att göra detta, låt oss föreställa oss vår modell steg för steg.
Låt oss glömma att modern vetenskap inte känner till universums "främmande" region. Kassera versionerna om multiversen, fraktaluniverset och dess andra "sorter", föreställ dig att det helt enkelt är oändligt. Som nämnts tidigare motsäger detta inte utbyggnaden av hennes utrymme. Låt oss naturligtvis ta hänsyn till det faktum att dess Hubble-sfär och partikelsfären är lika med 13,75 respektive 45,7 miljarder ljusår.
Universumets skala
Till att börja med, låt oss försöka inse hur stor den universella skalan är. Om du har rest runt vår planet, kan du väl föreställa dig hur stor jorden är för oss. Låt oss nu föreställa oss vår planet som ett bovetekorn som kretsar runt en vattenmelon-sol som är halva storleken på en fotbollsplan. I det här fallet kommer Neptuns omlopp att motsvara storleken på en liten stad, regionen för Oort-molnet till månen, regionen för gränsen för solens inflytande till Mars. Det visar sig att vårt solsystem är lika mycket större än jorden som Mars är större än bovete! Men detta är bara början.
Låt oss nu föreställa oss att detta bovete kommer att vara vårt system, vars storlek är ungefär lika med en parsec. Då blir Vintergatan på storleken på två fotbollsarenor. Men även detta räcker inte för oss. Vi måste reducera Vintergatan till en centimeter. Det kommer att likna kaffeskum som är lindat i en bubbelpool mitt i det kaffesvarta intergalaktiska utrymmet. Tjugo centimeter från det finns samma spiral "smulor" - Andromeda Nebula. Runt dem kommer en svärm av små galaxer från vårt lokala kluster. Den uppenbara storleken på vårt universum kommer att vara 9,2 kilometer. Vi har kommit till en förståelse av de universella dimensionerna, inuti den universella bubblan
Det räcker dock inte för oss att förstå själva skalan. Det är viktigt att förstå universums dynamik. Låt oss föreställa oss själva som jättar för vilka Vintergatan har en centimeter i diameter. Som just noterats befinner vi oss i en sfär med en radie på 4,57 och en diameter på 9,24 kilometer. Låt oss föreställa oss att vi kan sväva inuti denna sfär, resa och övervinna hela megaparsek på en sekund. Vad ska vi se om vårt universum är oändligt?
Naturligtvis före oss kommer det att finnas ett oändligt antal av alla slags galaxer. Elliptisk, spiral, oregelbunden. Vissa områden kommer att vrimla av dem, andra kommer att vara tomma. Huvudfunktionen är att de visuellt kommer att vara rörliga medan vi är rörliga. Men så snart vi tar ett steg kommer galaxerna själva att börja röra sig. Om vi till exempel kan se det mikroskopiska solsystemet i mjölkcentret centimeter kan vi se dess utveckling. När vi flyttar 600 meter från vår galax kommer vi att se protostarsolen och den protoplanetära skivan vid bildandet. När vi närmar oss det kommer vi att se hur jorden framträder, livet uppstår och människan verkar. På samma sätt kommer vi att se hur galaxer förändras och rör sig när vi flyttar bort eller närmar oss dem.
Följaktligen, ju mer avlägsna galaxer vi ser, desto äldre kommer de att vara för oss. Så de mest avlägsna galaxerna kommer att ligga längre än 1300 meter från oss, och vid 1380 meters sväng kommer vi att se relikstrålningen. Det är sant att detta avstånd kommer att vara imaginärt för oss. Men när vi kommer närmare relikstrålningen, kommer vi att se en intressant bild. Naturligtvis kommer vi att observera hur galaxer kommer att bildas och utvecklas från det ursprungliga väte molnet. När vi når en av dessa bildade galaxer, kommer vi att förstå att vi inte har övervunnit 1,375 kilometer alls, utan alla 4,57.
downsizing
Som ett resultat kommer vi att växa ännu mer i storlek. Nu kan vi placera hela tomrum och väggar i näven. Så vi befinner oss i en ganska liten bubbla, från vilken det är omöjligt att komma ut. Inte bara avståndet till föremål vid kanten av bubblan ökar när de kommer närmare, utan själva kanten kommer att driva oändligt. Detta är hela punkten på storleken på det observerbara universum.
Oavsett hur stort universum är, för observatören kommer det alltid att förbli en begränsad bubbla. Observatören kommer alltid att vara i mitten av denna bubbla, han är faktiskt dess centrum. När man försöker komma till något objekt i kanten av bubblan kommer observatören att flytta sitt centrum. När det närmar sig objektet kommer detta objekt att röra sig längre och längre från kanten av bubblan och samtidigt förändras. Till exempel kommer det från ett formlöst vätemoln att förvandlas till en fullfjädrad galax eller vidare till ett galaxkluster. Dessutom kommer vägen till detta objekt att öka när du närmar dig det, eftersom det omgivande rymden själv kommer att förändras. När vi når det här objektet flyttar vi det bara från kanten av bubblan till dess centrum. Vid universumets kant kommer också relikstrålningen att flimra.
Om vi antar att universum kommer att fortsätta expandera med en accelererad takt, då vi är i mitten av bubblan och slingrar tiden för miljarder, biljoner och ännu högre beställningar av år framöver, kommer vi att märka en ännu mer intressant bild. Även om vår bubbla också kommer att växa i storlek, kommer dess muterande komponenter att röra sig bort från oss ännu snabbare och lämnar kanten på denna bubbla tills varje partikel av universum vandrar spridd runt i sin ensamma bubbla utan förmågan att interagera med andra partiklar.
Så modern vetenskap har inte information om universums verkliga dimensioner och om det har gränser. Men vi vet säkert att det observerbara universum har en synlig och sann gräns, kallad Hubble-radien (13,75 miljarder ljusår) respektive partiklarnas radie (45,7 miljarder ljusår). Dessa gränser är helt beroende av observatörens position i rymden och expanderar med tiden. Om Hubble-radien expanderar strikt med ljusets hastighet, accelereras utvidgningen av partikelhorisonten. Frågan om dess acceleration av partikelhorisonten kommer att fortsätta ytterligare och om den inte kommer att ändras till komprimering förblir öppen.