De unde știm cât de vechi este universul? Ce este dincolo de Univers? Structura Universului. Misterele cosmosului Din ce au venit toate universurile

Matematicienii fanatici care iubesc să numere totul în lume și-au dorit de mult timp să afle răspunsul la întrebarea fundamentală: câte particule există în Univers? Având în vedere că aproximativ 5 trilioane de atomi de hidrogen pot încăpea doar pe capul unui știft, fiecare constând din 4 particule elementare (1 electron și 3 quarci într-un proton), este sigur să presupunem că numărul de particule din universul observabil este peste limita reprezentarii umane.

Oricum, profesorul de fizică Tony Padilla de la Universitatea din Nottingham a dezvoltat o modalitate de a estima numărul total de particule din Univers fără a ține cont de fotoni sau neutrini, deoarece aceștia nu au (sau mai degrabă, practic nu au) masă:

Pentru calculele sale, omul de știință a folosit date obținute cu telescopul Planck, care a fost folosit pentru a măsura radiația cosmică de fond cu microunde, care este cea mai veche radiație de lumină vizibilă din Univers și formează astfel o aparență a graniței sale. Datorită telescopului, oamenii de știință au reușit să estimeze densitatea și raza Universului vizibil.

O altă variabilă necesară este fracția de materie conținută în barioni. Aceste particule sunt formate din trei quarci, iar cei mai cunoscuți barioni de astăzi sunt protonii și neutronii, așa că Padilla le consideră în exemplul său. În cele din urmă, calculul necesită cunoașterea maselor de proton și neutron (care coincid aproximativ între ele), după care pot începe calculele.

Ce face un fizician? El ia densitatea Universului vizibil, o înmulțește doar cu o fracțiune din densitatea barionilor și apoi înmulțește rezultatul cu volumul Universului. El împarte masa rezultată a tuturor barionilor din Univers la masa unui barion și obține numărul total de barioni. Dar nu ne interesează barionii; scopul nostru sunt particulele elementare.

Se știe că fiecare barion constă din trei quarci - acestea sunt exact ceea ce avem nevoie. În plus, numărul total de protoni (după cum știm cu toții din cursul de chimie școlar) este egal cu numărul total de electroni, care sunt și particule elementare. În plus, astronomii au stabilit că 75% din materia din Univers este reprezentată de hidrogen, iar restul de 25% de heliu pot fi neglijate în calculele de această scară. Padilla calculează numărul de neutroni, protoni și electroni, apoi înmulțește primele două poziții cu trei - și în sfârșit avem rezultatul final.

3,28x10 80. Mai mult de trei vigintilioane.

328.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.

Cel mai interesant lucru este că, având în vedere dimensiunea Universului, aceste particule nu umplu nici măcar o mare parte din volumul său total. Ca rezultat, există doar o (!) particulă elementară pe metru cub al Universului.

Știați că Universul pe care îl observăm are limite destul de clare? Suntem obișnuiți să asociem Universul cu ceva infinit și de neînțeles. Cu toate acestea, știința modernă, întrebată despre „infinitul” Universului, oferă un răspuns complet diferit la o astfel de întrebare „evidentă”.

Conform conceptelor moderne, dimensiunea Universului observabil este de aproximativ 45,7 miliarde de ani lumină (sau 14,6 gigaparsecs). Dar ce înseamnă aceste numere?

Prima întrebare care vine în minte unei persoane obișnuite este cum poate Universul să nu fie infinit? S-ar părea că este incontestabil că containerul a tot ceea ce există în jurul nostru ar trebui să nu aibă limite. Dacă aceste limite există, care sunt ele mai exact?

Să presupunem că un astronaut ajunge la granițele Universului. Ce va vedea în fața lui? Un zid solid? Bariera de incendiu? Și ce este în spatele ei - golul? Alt Univers? Dar golul sau alt Univers poate însemna că ne aflăm la granița universului? La urma urmei, asta nu înseamnă că nu există „nimic” acolo. Golul și un alt Univers sunt, de asemenea, „ceva”. Dar Universul este ceva care conține absolut totul „ceva”.

Ajungem la o contradicție absolută. Se pare că granița Universului trebuie să ne ascundă ceva care nu ar trebui să existe. Sau granița Universului ar trebui să îndepărteze „totul” de „ceva”, dar acest „ceva” ar trebui, de asemenea, să facă parte din „totul”. În general, absurditate totală. Atunci, cum pot oamenii de știință să declare dimensiunea limită, masa și chiar vârsta Universului nostru? Aceste valori, deși neînchipuit de mari, sunt încă finite. Contestă știința cu evidentul? Pentru a înțelege acest lucru, să urmărim mai întâi cum au ajuns oamenii la înțelegerea noastră modernă a Universului.

Extinderea granițelor

Din timpuri imemoriale, oamenii au fost interesați de cum este lumea din jurul lor. Nu este nevoie să dăm exemple ale celor trei piloni și ale altor încercări ale anticilor de a explica universul. De regulă, în cele din urmă totul s-a rezumat la faptul că baza tuturor lucrurilor este suprafața pământului. Chiar și în vremurile antichității și Evul Mediu, când astronomii aveau cunoștințe extinse despre legile mișcării planetare de-a lungul sferei cerești „fixate”, Pământul a rămas centrul Universului.

Desigur, chiar și în Grecia Antică existau cei care credeau că Pământul se învârte în jurul Soarelui. Au fost cei care au vorbit despre numeroasele lumi și despre infinitul Universului. Dar justificări constructive pentru aceste teorii au apărut abia la cotitura revoluției științifice.

În secolul al XVI-lea, astronomul polonez Nicolaus Copernic a făcut prima descoperire majoră în cunoașterea Universului. El a demonstrat ferm că Pământul este doar una dintre planetele care se învârt în jurul Soarelui. Un astfel de sistem a simplificat foarte mult explicația unei mișcări atât de complexe și complicate a planetelor din sfera cerească. În cazul unui Pământ staționar, astronomii au fost nevoiți să vină cu tot felul de teorii inteligente pentru a explica acest comportament al planetelor. Pe de altă parte, dacă Pământul este acceptat ca în mișcare, atunci o explicație pentru astfel de mișcări complicate vine de la sine. Astfel, o nouă paradigmă numită „heliocentrism” a luat loc în astronomie.

Mulți Sori

Cu toate acestea, chiar și după aceasta, astronomii au continuat să limiteze Universul la „sfera stelelor fixe”. Până în secolul al XIX-lea, ei nu au putut estima distanța până la stele. Timp de câteva secole, astronomii au încercat fără niciun rezultat să detecteze abaterile de poziție a stelelor în raport cu mișcarea orbitală a Pământului (paralaxe anuale). Instrumentele acelor vremuri nu permiteau măsurători atât de precise.

În cele din urmă, în 1837, astronomul ruso-german Vasily Struve a măsurat paralaxa. Acesta a marcat un nou pas în înțelegerea dimensiunii spațiului. Acum, oamenii de știință ar putea spune cu siguranță că stelele sunt asemănări îndepărtate cu Soarele. Iar lumina noastră nu mai este centrul tuturor, ci un „rezident” egal al unui grup de stele nesfârșit.

Astronomii s-au apropiat și mai mult de a înțelege scara Universului, deoarece distanțele până la stele s-au dovedit a fi cu adevărat monstruoase. Chiar și dimensiunea orbitelor planetelor părea nesemnificativă în comparație. În continuare a fost necesar să înțelegem cum sunt concentrate stelele în .

Multe Căi Lactee

Celebrul filozof Immanuel Kant a anticipat bazele înțelegerii moderne a structurii pe scară largă a Universului încă din 1755. El a emis ipoteza că Calea Lactee este un uriaș grup de stele în rotație. La rândul lor, multe dintre nebuloasele observate sunt, de asemenea, „căile lactee” mai îndepărtate - galaxii. În ciuda acestui fapt, până în secolul al XX-lea, astronomii credeau că toate nebuloasele sunt surse de formare a stelelor și fac parte din Calea Lactee.

Situația s-a schimbat când astronomii au învățat să măsoare distanțele dintre galaxii folosind . Luminozitatea absolută a stelelor de acest tip depinde strict de perioada de variabilitate a acestora. Comparând luminozitatea lor absolută cu cea vizibilă, este posibil să se determine distanța până la ele cu mare precizie. Această metodă a fost dezvoltată la începutul secolului al XX-lea de Einar Hertzschrung și Harlow Scelpi. Datorită lui, astronomul sovietic Ernst Epic a determinat în 1922 distanța până la Andromeda, care s-a dovedit a fi cu un ordin de mărime mai mare decât dimensiunea Căii Lactee.

Edwin Hubble a continuat inițiativa lui Epic. Măsurând luminozitatea Cefeidelor din alte galaxii, el le-a măsurat distanța și a comparat-o cu deplasarea spre roșu din spectrele lor. Așa că în 1929 și-a dezvoltat faimoasa lege. Lucrarea sa a infirmat definitiv punctul de vedere conform căruia Calea Lactee este marginea Universului. Acum era una dintre multele galaxii care fuseseră odată considerate parte a ei. Ipoteza lui Kant a fost confirmată la aproape două secole de la dezvoltarea ei.

Ulterior, legătura descoperită de Hubble între distanța unei galaxii de la un observator în raport cu viteza de îndepărtare a acesteia de la acesta, a făcut posibilă realizarea unei imagini complete a structurii la scară largă a Universului. S-a dovedit că galaxiile erau doar o parte nesemnificativă a acesteia. S-au conectat în clustere, clustere în superclustere. La rândul lor, superclusterele formează cele mai mari structuri cunoscute din Univers - fire și pereți. Aceste structuri, adiacente supervidurilor uriașe (), constituie structura pe scară largă a Universului cunoscut în prezent.

Infinit aparent

Din cele de mai sus rezultă că, în doar câteva secole, știința a trecut treptat de la geocentrism la o înțelegere modernă a Universului. Totuși, acest lucru nu răspunde de ce limităm Universul astăzi. Până la urmă, până acum vorbeam doar despre scara spațiului, și nu despre însăși natura lui.

Primul care a decis să justifice infinitul Universului a fost Isaac Newton. După ce a descoperit legea gravitației universale, el a crezut că, dacă spațiul ar fi finit, toate corpurile sale s-ar contopi mai devreme sau mai târziu într-un singur întreg. Înaintea lui, dacă cineva a exprimat ideea de infinitate a Universului, a fost exclusiv într-un sens filosofic. Fără nicio bază științifică. Un exemplu în acest sens este Giordano Bruno. Apropo, ca și Kant, el a fost cu multe secole înaintea științei. El a fost primul care a declarat că stelele sunt sori îndepărtați, iar planetele se învârt, de asemenea, în jurul lor.

S-ar părea că însuși faptul infinitului este destul de justificat și evident, dar punctele de cotitură ale științei secolului al XX-lea au zguduit acest „adevăr”.

Univers staționar

Primul pas semnificativ către dezvoltarea unui model modern al Universului a fost făcut de Albert Einstein. Celebrul fizician și-a prezentat modelul de Univers staționar în 1917. Acest model se baza pe teoria generală a relativității, pe care o dezvoltase cu un an mai devreme. Conform modelului său, Universul este infinit în timp și finit în spațiu. Dar, după cum sa menționat mai devreme, potrivit lui Newton, un Univers cu o dimensiune finită trebuie să se prăbușească. Pentru a face acest lucru, Einstein a introdus o constantă cosmologică, care a compensat atracția gravitațională a obiectelor îndepărtate.

Oricât de paradoxal ar suna, Einstein nu a limitat însăși finitudinea Universului. În opinia sa, Universul este o înveliș închisă a unei hipersfere. O analogie este suprafața unei sfere tridimensionale obișnuite, de exemplu, un glob sau Pământul. Indiferent cât de mult călătorește un călător peste Pământ, el nu va ajunge niciodată la marginea acestuia. Totuși, asta nu înseamnă că Pământul este infinit. Călătorul se va întoarce pur și simplu la locul din care și-a început călătoria.

Pe suprafața hipersferei

În același mod, un rătăcitor spațial, care traversează Universul lui Einstein pe o navă, se poate întoarce înapoi pe Pământ. Numai că de această dată rătăcitorul se va deplasa nu de-a lungul suprafeței bidimensionale a unei sfere, ci de-a lungul suprafeței tridimensionale a unei hipersfere. Aceasta înseamnă că Universul are un volum finit și, prin urmare, un număr finit de stele și masă. Cu toate acestea, Universul nu are nici granițe, nici centru.

Einstein a ajuns la aceste concluzii conectând spațiul, timpul și gravitația în celebra sa teorie. Înainte de el, aceste concepte erau considerate separate, motiv pentru care spațiul Universului era pur euclidian. Einstein a demonstrat că gravitația în sine este o curbură a spațiului-timp. Acest lucru a schimbat radical ideile timpurii despre natura Universului, bazate pe mecanica newtoniană clasică și geometria euclidiană.

Univers în expansiune

Nici chiar descoperitorul „noului Univers” însuși nu era străin de iluzii. Deși Einstein a limitat Universul în spațiu, el a continuat să-l considere static. Conform modelului său, Universul a fost și rămâne etern, iar dimensiunea lui rămâne mereu aceeași. În 1922, fizicianul sovietic Alexander Friedman a extins semnificativ acest model. Conform calculelor sale, Universul nu este deloc static. Se poate extinde sau contracta în timp. Este de remarcat faptul că Friedman a ajuns la un astfel de model bazat pe aceeași teorie a relativității. A reușit să aplice mai corect această teorie, ocolind constanta cosmologică.

Albert Einstein nu a acceptat imediat acest „amendament”. Acest nou model a venit în ajutorul descoperirii Hubble menționate anterior. Recesiunea galaxiilor a dovedit incontestabil faptul expansiunii Universului. Așa că Einstein a trebuit să-și recunoască greșeala. Acum Universul avea o anumită vârstă, care depinde strict de constanta Hubble, care caracterizează rata de expansiune a acestuia.

Dezvoltarea în continuare a cosmologiei

Pe măsură ce oamenii de știință au încercat să rezolve această întrebare, au fost descoperite multe alte componente importante ale Universului și au fost dezvoltate diverse modele ale acestuia. Așa că în 1948, George Gamow a introdus ipoteza „Universului fierbinte”, care s-a transformat mai târziu în teoria big bang-ului. Descoperirea din 1965 i-a confirmat suspiciunile. Acum astronomii au putut observa lumina care a venit din momentul în care Universul a devenit transparent.

Materia întunecată, prezisă în 1932 de Fritz Zwicky, a fost confirmată în 1975. Materia întunecată explică de fapt însăși existența galaxiilor, a clusterelor de galaxii și a structurii Universale în sine. Așa au aflat oamenii de știință că cea mai mare parte a masei Universului este complet invizibilă.

În cele din urmă, în 1998, în timpul unui studiu al distanței până la, s-a descoperit că Universul se extinde într-un ritm accelerat. Acest ultim punct de cotitură în știință a dat naștere înțelegerii noastre moderne a naturii universului. Coeficientul cosmologic, introdus de Einstein și infirmat de Friedman, și-a găsit din nou locul în modelul Universului. Prezența unui coeficient cosmologic (constantă cosmologică) explică expansiunea accelerată a acestuia. Pentru a explica prezența unei constante cosmologice, a fost introdus conceptul de câmp ipotetic care conține cea mai mare parte a masei Universului.

Înțelegerea modernă a mărimii Universului observabil

Modelul modern al Universului este numit și modelul ΛCDM. Litera „Λ” înseamnă prezența unei constante cosmologice, ceea ce explică expansiunea accelerată a Universului. „CDM” înseamnă că Universul este umplut cu materie întunecată rece. Studii recente indică faptul că constanta Hubble este de aproximativ 71 (km/s)/Mpc, ceea ce corespunde vârstei Universului de 13,75 miliarde de ani. Cunoscând vârsta Universului, putem estima dimensiunea regiunii sale observabile.

Conform teoriei relativității, informațiile despre orice obiect nu pot ajunge la un observator cu o viteză mai mare decât viteza luminii (299.792.458 m/s). Se pare că observatorul vede nu doar un obiect, ci și trecutul său. Cu cât un obiect este mai departe de el, cu atât trecutul este mai îndepărtat. De exemplu, privind Luna, vedem așa cum a fost cu puțin mai mult de o secundă în urmă, Soarele - cu mai bine de opt minute în urmă, cele mai apropiate stele - ani, galaxii - cu milioane de ani în urmă etc. În modelul staționar al lui Einstein, Universul nu are limită de vârstă, ceea ce înseamnă că regiunea sa observabilă nu este, de asemenea, limitată de nimic. Observatorul, înarmat cu instrumente astronomice din ce în ce mai sofisticate, va observa obiecte din ce în ce mai îndepărtate și mai vechi.

Avem o imagine diferită cu modelul modern al Universului. Potrivit acesteia, Universul are o vârstă, și deci o limită de observație. Adică, de la nașterea Universului, niciun foton nu ar fi putut parcurge o distanță mai mare de 13,75 miliarde de ani lumină. Se pare că putem spune că Universul observabil este limitat de la observator la o regiune sferică cu o rază de 13,75 miliarde de ani lumină. Cu toate acestea, acest lucru nu este în întregime adevărat. Nu trebuie să uităm de expansiunea spațiului Universului. Până când fotonul ajunge la observator, obiectul care l-a emis se va afla deja la 45,7 miliarde de ani lumină de noi. ani. Această dimensiune este orizontul particulelor, este granița Universului observabil.

Peste orizont

Deci, dimensiunea Universului observabil este împărțită în două tipuri. Dimensiunea aparentă, numită și raza Hubble (13,75 miliarde de ani lumină). Și dimensiunea reală, numită orizont de particule (45,7 miliarde de ani lumină). Important este că ambele aceste orizonturi nu caracterizează deloc dimensiunea reală a Universului. În primul rând, ele depind de poziția observatorului în spațiu. În al doilea rând, se schimbă în timp. În cazul modelului ΛCDM, orizontul de particule se extinde cu o viteză mai mare decât orizontul Hubble. Știința modernă nu răspunde la întrebarea dacă această tendință se va schimba în viitor. Dar dacă presupunem că Universul continuă să se extindă cu accelerație, atunci toate acele obiecte pe care le vedem acum vor dispărea mai devreme sau mai târziu din „câmpul nostru vizual”.

În prezent, cea mai îndepărtată lumină observată de astronomi este radiația cosmică de fond cu microunde. Privind în el, oamenii de știință văd Universul așa cum a fost la 380 de mii de ani după Big Bang. În acest moment, Universul s-a răcit suficient de mult încât a fost capabil să emită fotoni liberi, care sunt detectați astăzi cu ajutorul radiotelescoapelor. În acel moment, în Univers nu existau stele sau galaxii, ci doar un nor continuu de hidrogen, heliu și o cantitate nesemnificativă de alte elemente. Din neomogenitățile observate în acest nor, grupurile de galaxii se vor forma ulterior. Se pare că tocmai acele obiecte care se vor forma din neomogenități în radiația cosmică de fond cu microunde sunt situate cel mai aproape de orizontul particulelor.

Adevărate Granițe

Dacă Universul are limite adevărate, neobservabile, este încă o chestiune de speculație pseudoștiințifică. Într-un fel sau altul, toată lumea este de acord asupra infinitului Universului, dar interpretează acest infinit în moduri complet diferite. Unii consideră Universul ca fiind multidimensional, unde Universul nostru tridimensional „local” este doar unul dintre straturile sale. Alții spun că Universul este fractal - ceea ce înseamnă că Universul nostru local poate fi o particulă a altuia. Nu ar trebui să uităm de diferitele modele ale Multiversului cu Universurile sale închise, deschise, paralele și găurile de vierme. Și există multe, multe versiuni diferite, al căror număr este limitat doar de imaginația umană.

Dar dacă activăm realismul rece sau pur și simplu ne dăm înapoi de la toate aceste ipoteze, atunci putem presupune că Universul nostru este un container omogen infinit al tuturor stelelor și galaxiilor. Mai mult, în orice punct foarte îndepărtat, fie că este vorba de miliarde de gigaparsec de la noi, toate condițiile vor fi exact aceleași. În acest moment, orizontul particulelor și sfera Hubble vor fi exact aceleași, cu aceeași radiație relictă la marginea lor. Vor fi aceleași stele și galaxii în jur. Interesant, acest lucru nu contrazice expansiunea Universului. La urma urmei, nu doar Universul se extinde, ci spațiul său însuși. Faptul că în momentul Big Bang-ului Universul a apărut dintr-un punct înseamnă doar că dimensiunile infinit de mici (practic zero) care erau atunci s-au transformat acum în unele neimaginat de mari. În viitor, vom folosi tocmai această ipoteză pentru a înțelege clar amploarea Universului observabil.

Reprezentare vizuală

Diverse surse oferă tot felul de modele vizuale care permit oamenilor să înțeleagă scara Universului. Cu toate acestea, nu este suficient să realizăm cât de mare este cosmosul. Este important să ne imaginăm cum se manifestă de fapt concepte precum orizontul Hubble și orizontul particulelor. Pentru a face acest lucru, să ne imaginăm modelul pas cu pas.

Să uităm că știința modernă nu știe despre regiunea „străină” a Universului. Renunțând la versiunile multiversurilor, a Universului fractal și a celorlalte „variete” ale sale, să ne imaginăm că este pur și simplu infinit. După cum sa menționat mai devreme, acest lucru nu contrazice extinderea spațiului său. Desigur, să ținem cont de faptul că sfera sa Hubble și sfera de particule sunt de 13,75 și, respectiv, 45,7 miliarde de ani lumină.

Scara Universului

Apăsați butonul START și descoperiți o lume nouă, necunoscută!
În primul rând, să încercăm să înțelegem cât de mare este scara universală. Dacă ați călătorit în jurul planetei noastre, vă puteți imagina cât de mare este Pământul pentru noi. Acum imaginați-vă planeta noastră ca un bob de hrișcă care se mișcă pe orbită în jurul unui pepene verde - Soare de mărimea unei jumătăți de teren de fotbal. În acest caz, orbita lui Neptun va corespunde mărimii unui oraș mic, zona va corespunde Lunii, iar zona limitei de influență a Soarelui va corespunde lui Marte. Se dovedește că sistemul nostru solar este la fel de mare decât Pământul pe cât este Marte mai mare decât hrișca! Dar acesta este doar începutul.

Acum să ne imaginăm că această hrișcă va fi sistemul nostru, a cărui dimensiune este aproximativ egală cu un parsec. Atunci Calea Lactee va avea dimensiunea a două stadioane de fotbal. Cu toate acestea, acest lucru nu va fi suficient pentru noi. Calea Lactee va trebui, de asemenea, redusă la dimensiunea în centimetri. Va semăna oarecum cu spuma de cafea învelită într-un vârtej în mijlocul spațiului intergalactic negru ca cafea. La douăzeci de centimetri de ea există aceeași „fărâmitură” spirală - Nebuloasa Andromeda. În jurul lor va fi un roi de galaxii mici ale Clusterului nostru Local. Dimensiunea aparentă a Universului nostru va fi de 9,2 kilometri. Am ajuns la o înțelegere a dimensiunilor Universale.

În interiorul bulei universale

Cu toate acestea, nu este suficient să înțelegem scara în sine. Este important să realizăm Universul în dinamică. Să ne imaginăm ca niște uriași, pentru care Calea Lactee are un diametru de centimetru. După cum am menționat tocmai acum, ne vom găsi în interiorul unei mingi cu o rază de 4,57 și un diametru de 9,24 kilometri. Să ne imaginăm că suntem capabili să plutim în interiorul acestei mingi, să călătorim, acoperind megaparsec întregi într-o secundă. Ce vom vedea dacă Universul nostru este infinit?

Desigur, nenumărate galaxii de tot felul vor apărea în fața noastră. Eliptice, spiralate, neregulate. Unele zone vor fi pline de ele, altele vor fi goale. Caracteristica principală va fi că vizual, toate vor fi nemișcate în timp ce noi suntem nemișcați. Dar de îndată ce facem un pas, galaxiile înseși vor începe să se miște. De exemplu, dacă putem discerne un sistem solar microscopic în Calea Lactee lungă de un centimetru, vom putea observa dezvoltarea lui. Depărtându-ne la 600 de metri de galaxia noastră, vom vedea protosteaua Soarele și discul protoplanetar în momentul formării. Apropiindu-ne de el, vom vedea cum apare Pământul, apare viața și apare omul. În același mod, vom vedea cum se schimbă și se mișcă galaxiile pe măsură ce ne îndepărtăm sau ne apropiem de ele.

În consecință, cu cât ne uităm galaxiile mai îndepărtate, cu atât vor fi mai vechi pentru noi. Deci cele mai îndepărtate galaxii vor fi situate la mai mult de 1300 de metri de noi, iar la cotitura de 1380 de metri vom vedea deja radiații relicte. Adevărat, această distanță va fi imaginară pentru noi. Cu toate acestea, pe măsură ce ne apropiem de radiația cosmică de fundal cu microunde, vom vedea o imagine interesantă. În mod firesc, vom observa cum se vor forma și dezvolta galaxiile din norul inițial de hidrogen. Când ajungem la una dintre aceste galaxii formate, vom înțelege că nu am parcurs deloc 1,375 de kilometri, ci toți 4,57.

Micșorează

Ca urmare, vom crește și mai mult în dimensiune. Acum putem plasa goluri întregi și pereți în pumn. Așa că ne vom găsi într-o bulă destul de mică din care este imposibil să ieșim. Nu numai că distanța până la obiectele de la marginea bulei va crește pe măsură ce se apropie, dar marginea în sine se va deplasa la infinit. Acesta este punctul central al mărimii Universului observabil.

Indiferent cât de mare este Universul, pentru un observator va rămâne întotdeauna o bulă limitată. Observatorul va fi întotdeauna în centrul acestei bule, de fapt el este centrul acesteia. Încercând să ajungă la orice obiect de la marginea bulei, observatorul își va deplasa centrul. Pe măsură ce vă apropiați de un obiect, acest obiect se va deplasa din ce în ce mai departe de marginea bulei și, în același timp, se va schimba. De exemplu, dintr-un nor de hidrogen fără formă se va transforma într-o galaxie cu drepturi depline sau, mai departe, într-un cluster galactic. În plus, calea către acest obiect va crește pe măsură ce vă apropiați de el, deoarece spațiul înconjurător în sine se va schimba. După ce am ajuns la acest obiect, îl vom muta doar de la marginea bulei în centrul său. La marginea Universului, radiațiile relicte vor pâlpâi în continuare.

Dacă presupunem că Universul va continua să se extindă într-un ritm accelerat, fiind apoi în centrul bulei și avansând în timp cu miliarde, trilioane și chiar ordine mai mari de ani, vom observa o imagine și mai interesantă. Deși bula noastră va crește, de asemenea, în dimensiune, componentele ei în schimbare se vor îndepărta și mai repede de noi, lăsând marginea acestei bule, până când fiecare particulă a Universului rătăcește separat în bula sa singuratică, fără posibilitatea de a interacționa cu alte particule.

Deci, știința modernă nu are informații despre dimensiunea reală a Universului și dacă are limite. Dar știm cu siguranță că Universul observabil are o graniță vizibilă și adevărată, numită respectiv raza Hubble (13,75 miliarde de ani lumină) și raza particulelor (45,7 miliarde de ani lumină). Aceste limite depind în întregime de poziția observatorului în spațiu și se extind în timp. Dacă raza Hubble se extinde strict cu viteza luminii, atunci expansiunea orizontului particulelor este accelerată. Întrebarea dacă accelerarea orizontului particulelor va continua în continuare și dacă va fi înlocuită de compresie rămâne deschisă.

Este Universul infinit sau are o margine? Dacă este infinit, înseamnă că trebuie să existe Universuri paralele, spune fizicianul Brian Greene.

El a explicat această idee într-un interviu acordat NPR folosind o metaforă: „Să ne gândim la univers ca la un pachet de cărți. Dacă amesteci cărțile, vor avea loc o mulțime de schimbări, spune Brian Greene. - Dacă amestecați acest pachet suficient de mult, ordinea cărților se poate repeta. La fel este și cu Universul infinit. Cu un set limitat de combinații de materie, ordinea aranjamentului său trebuie într-o zi să fie repetată.”

Potrivit acestuia, mulți oameni de știință teoreticieni iau în considerare serios posibilitatea existenței Multiversului. Iată câteva dintre ipotezele existente.

1. Bulele-universuri

Cosmologul Alexander Vilenkin de la Universitatea Tufts consideră că zonele individuale ale spațiului s-ar fi putut extinde după Big Bang, ducând la formarea unor universuri cu bule izolate.

Conform teoriei lui Vilenkin, bula noastră a încetat să se extindă, ceea ce a creat anumite condiții în Universul nostru. Cu toate acestea, alte bule ar putea continua să se extindă, rezultând ca proprietățile fizice ale acelor Universuri să fie complet diferite de cele pe care le observăm în Universul nostru.

2. Universul ca hologramă

Teoria corzilor vede universul ca pe o colecție de corzi foarte subțiri, care vibrează. Aceste corzi creează o forță cunoscută sub numele de gravitație. Lumea corzilor este un fel de hologramă proiectată dintr-o dimensiune cosmică inferioară, care este mai simplă, mai plată și nu are gravitație.

3. Un gol imens în spațiu ar putea fi o ușă către un alt univers

Un gol al spațiului care se întinde pe 1 miliard de ani lumină i-a nedumerit pe oamenii de știință când a fost descoperit în 2007. Apoi, în 2009, a fost descoperit un alt gol din spațiu pe 3,5 miliarde de ani lumină. Un astfel de fenomen nu poate fi explicat prin cunoștințele moderne despre structura și evoluția Universului. Goluri de asemenea proporții gigantice nu s-ar fi putut forma în perioada de după Big Bang. Educația lor ar dura mult mai mult.

Fizicianul Laura Mersini-Houghton, profesor la Universitatea din Carolina de Nord, consideră că aceasta este o urmă a unui alt univers care este dincolo de universul nostru. Conform ipotezei ei, încâlcerea cuantică dintre Universul nostru și un alt Univers a creat aceste goluri ca o partiție între Universuri.

4. Universuri paralele care se pot ciocni între ele

Big Bang-ul care a format Universul ar fi putut fi cauzat de ciocnirea a două universuri tridimensionale într-un alt spațiu. Big Bang-ul poate fi doar unul dintre multele Big Bang-uri. Crearea universului este un proces ciclic, potrivit lui Paul Steinhardt, profesor de fizică la Universitatea Princeton, și Neil Turok, director al Institutului Perimetru de Fizică Teoretică din Ontario, Canada.

Teoria lor se bazează parțial pe teoria superstringurilor. În prefața cărții lor, The Infinite Universe Beyond the Big Bang, ei au scris: „Suntem convinși că momentul creației a fost doar o parte a unui ciclu nesfârșit de coliziuni colosale între Universul nostru și o lume paralelă”.

Versiunea în engleză

Omul de știință american și faimosul popularizator al științei Kaku Michio a scris o carte în care argumentează cu bunul simț. Pentru o persoană normală, lumea tridimensională este norma, la care Einstein, nu fără dificultate, a adăugat o a patra dimensiune - timpul. Dar fizica modernă lucrează de destul de mult timp la teoria hiperspațiului, conform căreia Universul este format nu numai din timp și spațiu, ci și din altceva - a cincea dimensiune, a șasea dimensiune... Mintea umană este acum incapabil să-și imagineze așa ceva, dar este accesibil limbajului matematicii.

Calcule matematice mari din cadrul teoriei hiperspațiului au demonstrat că, dacă presupunem existența teoretică a altor dimensiuni, atunci problemele aparent insolubile din fizică pot fi rezolvate cu ușurință: de exemplu, răspunsul la întrebarea posibilei interacțiuni a luminii și gravitaţie. Mai mult, descoperirea de noi dimensiuni va face posibilă unirea cunoștințelor încă împrăștiate despre structura Universului, datorită cărora poate apărea „teoria a tot” căutată din cele mai vechi timpuri. Și pentru ca oamenii să se pregătească pentru apariția sa, Michio a tradus teoria hiperspațiului din limbajul formulelor pentru oamenii care trăiesc într-o lume tridimensională.

„Russian Planet”, cu permisiunea editurii „Alpina Non-Fiction”, publică un fragment din cartea lui Kaku Michio „Hyperspace: A Scientific Odyssey through Parallel Worlds, Time Holes and the Tenth Dimension”, dedicat posibilității a existenţei mai multor universuri.

În 1957, fizicianul Hugh Everett a sugerat că în timpul procesului de evoluție, Universul se „bifurcă” în mod constant, ca un drum la o bifurcație. Într-un Univers, atomul de uraniu nu se descompune, iar pisica rămâne în viață. În altul, atomul de uraniu se descompune și pisica moare. Dacă Everett are dreptate, există un număr infinit de universuri. Fiecare univers este conectat la alții printr-o întreagă rețea de „bifurci de drum”. Sau, după cum scria argentinianul Jorge Luis Borges în Grădina căilor bifurcate, „Timpul se ramifică etern, ducând la nenumărate viitoruri”.

Fizicianul Bryce DeWitt, unul dintre susținătorii teoriei mai multor lumi, a descris impresia de durată pe care aceasta i-a făcut-o: „Fiecare tranziție cuantică care are loc în fiecare stea, în fiecare galaxie și în fiecare colț îndepărtat al Universului împarte lumea noastră locală. Pământul în nenumărate copii ale lui însuși. Îmi amintesc încă clar șocul pe care l-am simțit când am întâlnit prima dată acest concept al multor lumi.” În conformitate cu postulatul teoriei mai multor lumi, există toate lumile cuantice posibile. În unele lumi, precum forma de viață dominantă de pe Pământ, ființele umane trăiesc. În altele, evenimentele din sfera subatomică au împiedicat apariția omului.

Fizicianul Frank Wilczek a scris:

„Se spune că istoria lumii s-ar fi dovedit cu totul diferit dacă Elena din Troia ar fi avut un neg pe nas. Deci, verucile apar din cauza unei mutații a unei singure celule, adesea cauzată de razele ultraviolete ale soarelui. Concluzie: Există multe lumi în care Elena din Troia avea de fapt un neg pe nas.”

În esență, ideea universurilor multiple este veche. Sfântul și filozoful Albert Magnus a scris: „Sunt cu adevărat multe lumi sau există o singură lume? Aceasta este una dintre cele mai nobile și mai interesante întrebări din studiul naturii.” Cu toate acestea, ideii antice primește o întorsătură modernă: lumi multiple rezolvă paradoxul pisicii lui Schrödinger. Într-un univers o pisică poate fi moartă, în altul poate fi vie.

Oricât de ciudată ar părea teoria cu mai multe lumi a lui Everett, se poate dovedi că este echivalentă matematic cu interpretarea convențională a teoriei cuantice. Dar se întâmplă că teoria multor lumi nu este populară printre fizicieni. Este imposibil să o respingem, dar însăși ideea unui număr infinit de universuri la fel de valabile, fiecare dintre ele împărțit în două în fiecare minut, este un coșmar filosofic pentru fizicienii care iubesc simplitatea. Fizica folosește așa-numitul principiu Ockham, conform căruia trebuie aleasă întotdeauna calea cea mai simplă, ignorând alternativele complicate, mai ales dacă acestea nu sunt măsurabile.

(Astfel, principiul lui Ockham respinge teoria de lungă durată a eterului, conform căreia întregul Univers a fost odată umplut cu un gaz misterios. Teoria eterului a oferit un răspuns convenabil la întrebarea dificilă: dacă lumina este o undă și dacă lumina poate călători în vid, atunci ce sunt vibrațiile ondulate. Răspunsul a fost că eterul, ca un lichid, oscilează chiar și în vid nu există - pur și simplu a spus că este irelevant. Astfel, urmând principiul lui Occam, fizicienii nu mai apelează la el.

Se poate demonstra că comunicarea între multiplele lumi ale lui Everett este imposibilă. Prin urmare, fiecare univers nu este conștient de existența celorlalți. Dacă experimentele nu pot confirma existența acestor lumi, ar trebui, în conformitate cu principiul lui Occam, să le excludem.

Continuând în același spirit, fizicienii se abțin să declare categoric că îngerii și miracolele nu există. Poate că există ambele. Dar miracolele, aproape prin definiție, nu au loc în mod regulat și, prin urmare, nu pot fi cuantificate experimental. Aceasta înseamnă că, în conformitate cu principiul lui Occam, ar trebui ignorate (desigur, dacă nu găsim un miracol reproductibil și măsurabil sau un înger). Unul dintre autorii teoriei multor lumi, mentorul lui Everett, John Wheeler, le-a respins fără tragere de inimă pe amândouă, deoarece „este prea greu pentru a transporta un astfel de bagaj metafizic greoi”.

Cu toate acestea, situația cu nepopularitatea teoriei mai multor lumi poate fi corectată prin creșterea treptată a popularității funcției de undă Hawking în raport cu Universul. Teoria lui Everett se bazează pe particule singulare și pe imposibilitatea comunicării între universuri după ce acestea se separă. Teoria lui Hawking, deși este legată de cele de mai sus, merge totuși mai departe: se bazează pe un număr infinit de universuri auto-consistente (nu doar particule), iar teoria în sine postulează posibilitatea de tunel între ele (prin „găuri de vierme”).

Hawking a găsit chiar o soluție la funcția de undă a Universului. El este convins de corectitudinea abordării sale, parțial pentru că teoria este bine definită (dacă, așa cum sa menționat deja, teoria este definită în cele din urmă în zece dimensiuni). Scopul său este să arate că funcția de undă a Universului capătă valori mari în apropierea unui univers asemănător cu al nostru. Deci universul nostru este aproape sigur un univers, dar cu siguranță nu este singurul.

Până în prezent, au avut loc o serie de conferințe internaționale despre funcția de undă a Universului. Dar, ca și înainte, din punct de vedere matematic, funcția de undă a Universului depășește capacitățile de calcul ale oamenilor care trăiesc pe planeta noastră și ar putea fi nevoiți să așteptăm mulți ani înainte ca orice entuziast să găsească o soluție exactă la ecuațiile lui Hawking.

Lumi paralele

Principala diferență dintre teoria mai multor lumi a lui Everett și funcția de undă a lui Hawking pentru Univers este ideea centrală a lui Hawking de „găuri de vierme” care conectează universuri paralele. Totuși, nu-ți imagina că într-o zi vei pleca acasă de la serviciu, vei deschide ușa, te vei găsi într-un univers paralel și vei descoperi că cei dragi nu au auzit niciodată de tine. În loc să se grăbească să te întâmpine după o zi grea, familia ta va intra în panică, va țipa că este un străin în casă și vei fi arestat pentru încălcare. Scenarii ca acesta sunt posibile doar în filme. Potrivit lui Hawking, găurile de vierme conectează în mod constant Universul nostru cu miliarde de miliarde de universuri paralele, dar, în medie, dimensiunea acestor găuri de vierme este extrem de mică și comparabilă cu lungimea Planck (de aproximativ 100 de miliarde de miliarde de ori mai mică decât un proton, adică prea mic). pentru ca o persoană să se miște). Mai mult, deoarece tranzițiile cuantice mari între universuri sunt o întâmplare rară, un astfel de eveniment poate trebui să aștepte foarte mult timp - mai mult decât existența Universului.

Hugh Everett. Foto: physicsmasterclasses.org

Astfel, în deplină concordanță cu legile fizicii (deși extrem de puțin probabil), cineva ar putea ajunge într-un univers paralel, o pereche a noastră, care arată exact ca a noastră, cu excepția unei mici, dar importante diferențe apărute la un moment dat. în timpul când aceste universuri s-au separat.

John Wyndham a scris despre lumi paralele de acest tip în povestea sa „Random Quest”. Fizicianul nuclear britanic Colin Trafford aproape că a murit în 1954, din cauza unui accident în timpul unui experiment. În loc să ajungă la spital, el se trezește în siguranță într-o zonă îndepărtată a Londrei. Trafford este bucuros că a coborât atât de ușor, dar în curând își dă seama că ceva s-a întâmplat până la urmă. Titlurile din ziare sunt incredibile. Al Doilea Război Mondial nu s-a întâmplat niciodată. Nu se vorbește despre nicio bombă atomică.

Istoria lumii s-a dovedit diferit. Mai mult, privind accidental la raftul unui magazin, Trafford își observă propriul nume și fotografie și descoperă că este autorul unui bestseller. El este șocat. Copia lui exactă există în această lume, în plus, nu este fizician, ci scriitor!

El visează? Cu mulți ani în urmă s-a gândit să devină scriitor, dar a devenit fizician. Aparent, în acest univers paralel a fost aleasă o altă cale.

Trafford răsfoiește agenda telefonică din Londra și își găsește numele în listă, dar adresa menționată în ea îi este necunoscută. Uimit, Trafford decide să viziteze „acasă”.

În apartamentul „său”, el este uimit să-și întâlnească soția „sa”, pe care nu a mai văzut-o până acum - o femeie frumoasă, revoltată de numeroasele aventuri „lui” cu alte femei. Ea îi reproșează că a înșelat, dar observă că soțul ei este nedumerit de ceva. Trafford descoperă că dublul său este un ticălos și un libertin și își dă seama că nu poate riposta pe frumoasa străină, deși ea se consideră soția lui. Aparent, ea și universurile ei duble au schimbat.

Treptat, Trafford se îndrăgostește de „propria” soție. Și nu înțelege cum dubla lui poate trata această femeie minunată atât de disprețuitor. Următoarele săptămâni petrecute împreună sunt cele mai bune din viața lor. Trafford decide să repare toate insultele pe care dubla lui le-a provocat soției sale de-a lungul anilor. Dar când cuplul par să se cunoască din nou, Trafford se trezește brusc aruncat înapoi în propriul său univers și separat de iubitul său. În universul familiar, el întreprinde o căutare disperată a „soției sale”. Și învață că oamenii care trăiesc în universul lui au omologi în altul - nu toți, ci majoritatea. Trafford ajunge la concluzia că „soția” lui trebuie să aibă un doppelganger undeva în această lume.

Ca cineva posedat, el apucă orice indiciu, încearcă să-și amintească tot ce știe despre universurile pereche. Înarmați-vă Având cunoștințe de istorie și fizică, el ajunge la concluzia că cele două lumi s-au separat în dezvoltarea lor datorită unui punct de cotitură în 1926 sau 1927. du . Trafford crede că un singur eveniment ar fi putut separa universurile.

Apoi începe să cerceteze meticulos istoria mai multor familii. Își cheltuiește toate economiile, intervievează zeci de oameni și în cele din urmă găsește familia „soției sale”. În cele din urmă, descoperă aceeași femeie din universul lui și se căsătorește cu ea.

Probabil, mulți s-au întrebat care este aspectul exterior al Universului la o distanță suficient de mare inaccesibilă pentru observație? O altă întrebare: care este limita unde poate privi o persoană?

De la Big Bang, orizontul cosmic al omului până la cele mai îndepărtate obiecte poate fi definit ca o distanță de paisprezece miliarde de ani lumină. În acest moment, aceste obiecte sunt la patruzeci de miliarde de ani lumină depărtare din cauza creșterii accelerate a Universului. Lumina de la obiecte mai îndepărtate nu a ajuns încă la noi. Deci, ce este peste orizont? Până de curând, fizicienii au răspuns despre asta: galaxii și stele, nimic nou. Cu toate acestea, datorită progreselor moderne în fizica particulelor și cosmologie în ceea ce privește ideile despre Univers, a devenit posibil să se regândească aceste concepte. De asemenea, sunt luate în considerare și alte legi ale fizicii bazate pe inflația cosmică.

În primul rând, să aruncăm o scurtă privire asupra cosmologiei Big Bang standard, care a fost teoria dominantă înainte de descoperirea inflației. Potrivit acesteia, apariția Universului a fost precedată de o catastrofă colosală care a izbucnit cu aproximativ paisprezece miliarde de ani în urmă. Mai mult, Big Bang-ul a avut loc simultan peste tot, și nu într-un loc anume din Univers. La vremea aceea, nu existau stele, galaxii, atomi. Universul a fost umplut cu un cheag de radiații și materie foarte fierbinte, dens, care se dizolvă rapid. Pe măsură ce creștea în dimensiune, s-a răcit. La trei minute după Big Bang, scăderea temperaturii a fost suficientă pentru formarea nucleelor ​​atomice, ceea ce după o jumătate de milion de ani a dus la combinarea nucleelor ​​și electronilor în atomi neutri din punct de vedere electric, iar Universul a devenit transparent la lumină. Datorită acestui fapt, astăzi suntem capabili să înregistrăm lumina dintr-un cheag de foc care emană din toate direcțiile cerești. O numim radiație cosmică de fond.

Inițial, cheagul de foc era aproape perfect din punct de vedere al omogenității. Cu toate acestea, unele zone aveau o densitate puțin mai mare decât altele și, pe măsură ce creșteau, trăgeau din ce în ce mai multe substanțe din spațiul înconjurător. Așa s-au format noi galaxii de-a lungul a miliarde de ani. Și comparativ, după standardele cosmice, noi, pământenii, am apărut recent.

Teoria Big Bang este susținută și de date observaționale care ne convinge de corectitudinea raționamentului. În primul rând, observăm cât de îndepărtate galaxii se îndepărtează de noi cu o viteză destul de mare, ceea ce indică expansiunea Universului. În plus, în cadrul teoriei Big Bang, este posibil să se explice abundența elementelor ușoare (cum ar fi litiu sau heliu) în Univers. Dar cel mai important: trunchiul fumegător al Big Bang-ului nu este nimic altceva decât radiație cosmică de fundal, care este strălucirea ulterioară a mingii de foc primare, care face posibilă observarea și studierea acesteia.

Drept urmare, avem o teorie complet de succes, care încă nu răspunde la unele întrebări foarte interesante care afectează istoria stării inițiale a Universului imediat după Big Bang. Ce a determinat creșterea temperaturii ridicate a Universului? De ce a început Universul să se extindă și care a fost trecutul său înainte de Big Bang? Răspunsul la aceste întrebări constă în luarea în considerare a teoriei lui Alan Guth prezentată acum 28 de ani.

Inflația spațială

În centrul acestei teorii se află o formă particulară de materie numită vid fals, cu alte cuvinte, spațiu gol. Cu toate acestea, fizicienii care studiază particulele elementare consideră vidul ca un obiect fizic care are energie și presiune și este capabil să se afle în diferite tipuri de stări de energie. În același timp, le dau numele stărilor diferitelor vid, care, în funcție de caracteristicile proprietăților particulelor elementare, sunt capabile să existe în ele.

Legătura dintre vid și particule este similară cu legătura dintre undele sonore și substanța prin care acestea se deplasează: viteza sunetului în diferite materiale nu este aceeași. Omul trăiește într-un vid cu energie foarte scăzută, de unde și credința fizicienilor care există de mulți ani despre energia zero a vidului nostru. Dar recent, prin observații, s-a constatat că are încă o energie ușor diferită de zero, care mai târziu a fost numită energie întunecată.

Conform predicțiilor teoriilor moderne ale particulelor elementare, pe lângă vidul nostru, există o serie de alte așa-numite vacuumuri false de înaltă energie. În același timp că un vid fals se caracterizează printr-o energie destul de mare, are și o presiune negativă mare, numită tensiune. Este ca și cum ați întinde o bucată de cauciuc: rezultatul este tensiunea, adică o forță interioară care face ca cauciucul să se comprima.

Cu toate acestea, cea mai neobișnuită proprietate a unui vid fals este gravitația sa respingătoare. În conformitate cu teoria generală a relativității a lui Einstein, apariția forțelor gravitaționale este asociată nu numai cu masa (energia), ci și cu presiunea. Atracția gravitațională este cauzată de presiunea pozitivă, iar repulsia este cauzată de presiunea negativă. Dacă acesta este un vid, atunci există o predominanță a efectului respingător al presiunii asupra forței de atracție asociată cu energia sa. Rezultatul este repulsia, iar cu cât energia vidului este mai mare, cu atât repulsia este mai puternică. O altă caracteristică a unui vid fals este instabilitatea și capacitatea sa de a se dezintegra destul de repede. În același timp, se transformă într-un vid cu energie scăzută. Excesul de energie este folosit pentru a crea un cheag de particule elementare. Să remarcăm că Alan Guth nu a căutat în mod specific să inventeze un vid fals cu proprietățile sale neobișnuite pentru teoria sa. Existența sa provine din fizica particulelor elementare. Omul de știință a prezentat doar presupunerea că la începutul istoriei sale spațiul Universului se afla într-o stare de vid fals. Într-o astfel de situație, gravitația respingătoare pe care o provoacă ar duce la o expansiune accelerată foarte rapidă a Universului. În cazul acestui tip de expansiune, pe care Guth a numit-o inflație, apare un timp de dublare caracteristic, dublând dimensiunea Universului.