Что находится в конце вселенной
Что, если у Вселенной нет конца?
13,8 миллиарда лет назад в горячем Большом Взрыве родилась наша Вселенная. С тех пор она расширялась и остывала, вплоть до сегодняшнего дня. С нашей точки зрения мы можем бросить взгляд на 46 миллиардов световых лет во всех направлениях, благодаря скорости света и расширению пространства. И хотя это огромное расстояние, оно не бесконечное. Потому что мы не видим дальше. Что лежит за горизонтом этих 46 миллиардов световых лет и может ли Вселенная быть бесконечной?
Многие думают, что Вселенная безгранична. Но так ли это?
Прежде всего стоит отметить, что мы не знаем точно, конечна или бесконечна Вселенная. Но мы точно знаем, что за пределами того, что мы можем наблюдать, есть много всякого, отмечает физик Итан Зигель в своей статье на Medium.com.
Чем дальше объекты, которые мы наблюдаем во Вселенной, тем дальше назад во времени мы уходим, вплоть до тех времен, когда атомов еще не существовало, до самого Большого Взрыва
Заглядывая как можно дальше, мы также движемся назад во времени. Ближайшая галактика, находящаяся в 2,5 миллионах световых лет от нас, предстает перед нами, какой она была 2,5 миллиона лет назад, потому что свету нужно именно столько времени, чтобы добраться до наших глаз оттуда, откуда он был испущен. Многие галактики видятся нам такими, какими они были десятки миллионов, сотни миллионов или даже миллиарды лет назад. Заглядывая как можно дальше в космос, мы видим свет таким, каким он был в юные дни Вселенной. Почему бы тогда нам не заглянуть в самое начало, увидеть, каким все было 13,8 миллиарда лет назад? Мы не только заглянули, но и нашли кое-что: космический микроволновый фон, послесвечение Большого Взрыва.
Что было до Большого Взрыва
Оказалось, что в то время Вселенная была почти идеально однородной, но некоторые области были более или менее плотным, чем в среднем, на 1 часть из 30 000. Этого достаточно, чтобы сформировались звезды, галактики, галактические скопления и космические пустоты, которые мы наблюдаем сегодня. Но в тех ранних несовершенствах, которые мы видим из этого космического снимка, содержится невероятно много информации о Вселенной. К примеру, поразительный факт: кривизна пространства, насколько нам известно, абсолютно плоская. Если бы пространство было выгнуто, как если бы мы жили на поверхности четырехмерной сферы, дальние лучи света сливались бы. Если бы пространство было вогнуто, как поверхность четырехмерного седла, дальние лучи расходились бы. Но нет, дальние лучи света движутся в заданном изначально направлении, а флуктуации отражают практически идеальную плоскость.
Величины горячих и холодных пятен, а также их масштабы указывают на кривизну Вселенной. Мы пришли к выводу, что она идеально плоская
Из ограничений, связанных как с космическим микроволновым фоном, так и крупномасштабной структурой Вселенной в совокупности, можно заключить, что если Вселенная конечна и замыкается на себе, она должна быть как минимум в 250 раз больше той части, которую мы наблюдаем. Поскольку мы живем в трех измерениях, 250 умножить на радиус означают (250) 3 объема, а это в 15 миллионов раз больше пространства. И все же, каким бы большим это число ни казалось, оно не бесконечно. Нижняя граница Вселенной будет минимум 11 триллионов световых лет во всех направлениях, и это много, но по-прежнему конечно.
Что было до большого взрыва?
Инфляция приводит к тому, что пространство расширяется экспоненциально, что может очень быстро привести к тому, что любое ранее искривленное пространство окажется плоским.
В нашем регионе Вселенной инфляция завершилась, это правда. Но есть три вопроса, на которые мы не знаем ответа. Они крайне важны для определения того, насколько велика Вселенная на самом деле и бесконечна она или нет.
Если вам интересны новости науки и технологий, подпишитесь на нас в Google Новостях и Яндекс.Дзен, чтобы не пропускать новые материалы!
Что случилось после Большого Взрыва?
Глядя на нашу Вселенную сегодня, на равномерное послесвечение Большого Взрыва, на плоскость Вселенной и на флуктуации, которые растянулись по Вселенной на всех масштабах, мы можем извлечь кое-какую информацию. Мы можем определить верхний предел энергетических масштабов, в которых протекала инфляция; мы можем узнать, сколько Вселенной должно было пройти через инфляцию; мы можем узнать нижний предел того, как долго должна была продолжаться инфляция.
Но карман с инфляционной Вселенной, которая породила нас, может быть намного больше этого нижнего предела! Он может быть в сотни, миллионы или гугол раз больше, чем мы наблюдаем, либо воистину бесконечным. И все же, не имея возможности наблюдать большую часть Вселенной, мы не имеем достаточно информации для принятия решения.
Вечная инфляция
Если предположить, что инфляция должна быть квантовым полем, то в любой заданной точке на этом этапе экспоненциального расширения существует вероятность того, что инфляция закончится, что приведет к Большому Взрыву, и вероятность продолжения инфляции с созданием большего пространства. Наши расчеты приводят нас к неизбежному выводу: для того чтобы инфляция произвела Вселенную, которую мы наблюдаем, она всегда должна создавать больше пространства, в котором инфляция будет продолжаться, по сравнению с областями, в которых инфляция завершилась Большим Взрывом.
Хотя наша наблюдаемая Вселенная могла появиться в результате конца инфляции в нашей области пространства 13,8 миллиарда лет назад, остаются области, в которых инфляция продолжается, создавая все больше и больше пространства, даже сегодня. Эта идея известна как вечная инфляция и в общем принимается сообществом физиков-теоретиков. Но насколько большой тогда должна быть вся ненаблюдаемая Вселенная?
Как долго продолжалась инфляция
Вселенная намного больше, чем кажется
Насколько нам известно, Вселенная намного больше той части, которую мы наблюдаем. За пределами наблюдаемого нами следует ожидать много больше Вселенной, похожей на нашу, с теми же законами физики, теми же константами, космическими структурами и шансами на появление сложной жизни. Должны быть и другие «пузыри», в которых инфляция завершилась, множество пузырей, заключенных в еще большем пространстве-времени, подвергающемся бесконечной инфляции. И все же, какой бы большой эта Вселенная — или мультивселенная — ни была, она может и не быть бесконечной. Вероятнее всего, Вселенная имеет свой конец, свою протяженность, хоть и умозрительно большую.
Проблема лишь в том, что у нас недостаточно информации, чтобы окончательно ответить на этот вопрос. Мы знаем только, как получить доступ к информации, доступной внутри нашей наблюдаемой Вселенной: в этих 46 миллиардах световых лет во всех направлениях. Ответ на волнующий нас вопрос может быть закодирован в самой Вселенной, но мы просто не можем до него дотянуться. Пока что.
Есть ли что-нибудь за пределами наблюдаемой Вселенной?
Вопрос о том, что находится за пределами Вселенной представители рода человеческого задавали себе не одно столетие. Но приблизительное понимание того, что представляет собой наш космический дом, появилось (по меркам той же Вселенной) совсем недавно. Сегодня мы знаем, что Вселенная родилась около 14 миллиардов лет назад в результате Большого взрыва и с тех пор расширяется с ускорением, параллельно остывая. Кажется, это противоречит здравому смыслу, но чтобы понять удивительные законы космоса и то, как они работают, умнейшие из нас трудились не одно поколение. Но знания, накопленные за эти годы, увы, по-прежнему не позволяют собрать головоломку воедино. Да, мы знаем, как выглядит наблюдаемая Вселенная – с помощью мощнейших телескопов ученые наносят на карту не только звезды, но миллиарды галактик и их скопления, заглядывая все дальше и дальше в прошлое, вплоть до Большого взрыва. Но могут ли они узнать, находится ли что-то за пределами нашей Вселенной? Есть ли что-нибудь там, куда не только невозможно отправить самые мощные инструменты, но и попросту заглянуть?
Перед вами цветной рентген-снимок Вселенной в ее самый обычный день: ускорение и распад материи, нагретой до сверхвысоких температур, обжигающий газ, ненасытные черные дыры и взрывы звезд.
Что мы знаем о Вселенной?
Чтобы ответить на вопрос о том, что находится за пределами вселенной, сначала нужно точно определить, что мы подразумеваем под «вселенной». Если вы воспринимаете это буквально как все вещи, которые могут существовать во всем пространстве и времени, то за пределами вселенной не может быть ничего. Даже если вы представляете, что вселенная имеет некоторый конечный размер, и представляете что-то вне этого объема, тогда все, что находится снаружи, также должно быть включено во вселенную.
Даже если вселенная представляет собой бесформенную, безымянную пустоту – абсолютное ничего – это все равно является чем-то и входит в список «всего существующего» — и, следовательно, по определению является частью вселенной. Если вселенная бесконечна по размеру, то беспокоиться об этой головоломке действительно не нужно. Вселенная, будучи всем, что есть, бесконечно велика и не имеет края, поэтому нет ничего «внешнего», о котором можно было бы говорить.
Часть наблюдаемой Вселенной, доступной для изучения современными астрономическими методами, называется Метагалактикой; она расширяется по мере совершенствования приборов.
С другой стороны, конечно, есть внешняя сторона нашего наблюдаемого участка Вселенной. Космос стар и свет распространяется быстро. Таким образом, за всю историю вселенной мы не получали свет от каждой отдельной галактики. В настоящее время ширина наблюдаемой Вселенной составляет около 90 миллиардов световых лет. И, по-видимому, за этой границей находятся миллиарды других случайных звезд и галактик.
Но есть ли что-то помимо этого?
Границы Вселенной
Космологи не уверены, является ли Вселенная бесконечно большой или просто чрезвычайно большой. Чтобы измерить Вселенную, астрономы вместо этого смотрят на ее кривизну. Геометрическая кривая в больших масштабах Вселенной говорит о ее общей форме. Если вселенная идеально геометрически плоская, то она может быть бесконечной. Если она изогнута, как поверхность Земли, то она имеет конечный объем.
Как пишет в статье для Space.com астрофизик Пол Саттер, текущие наблюдения и измерения кривизны Вселенной показывают, что она практически идеально плоская. Можно подумать, будто это означает, что вселенная бесконечна, но все не так просто. Даже в случае плоской вселенной космос не обязательно должен быть бесконечно большим.
«Возьмем, к примеру, поверхность цилиндра. Он геометрически плоский, потому что параллельные линии, нарисованные на поверхности, остаются параллельными (это одно из определений «плоскостности»), и все же он имеет конечный размер. То же самое можно сказать и о Вселенной: она может быть абсолютно плоской, но замкнутой в себе», – Пол Саттер, астрофизик из SUNY Stony Brook и Института Флэтирона в Нью-Йорке.
Перед вами галактика, обнаруженная на краю Вселенной.
Но даже если вселенная конечна, это не обязательно означает, что где-о есть ее край. Возможно, наша трехмерная вселенная встроена в какую-то более крупную многомерную конструкцию. Это совершенно нормально и действительно является частью некоторых экзотических моделей физики. Но в настоящее время у ученых нет абсолютно никакой возможности проверить это.
Неправильный вопрос?
Вселенную можно представить как гигантский шар, наполненный звездами, галактиками и всевозможными интересными астрофизическими объектами. То, как эти объекты выглядят снаружи, также несложно представить –вспомните знаменитые фотографии астронавтов из космоса – они часто смотрят на земной шар с безмятежной орбиты наверху. Но эта общая перспектива вряд ли нужна вселенной для существования, ведь она просто есть.
«Когда вы представляете вселенную в виде шара, плавающего посреди пустоты, вы разыгрываете над собой мысленный трюк, которого математика не требует», – пишет Саттер.
Многие физики всерьез рассматривают теорию Мультивселенной, согласно которой существует бесчисленное множество миров.
Вообще, учитывая накопленный массив данных о наблюдаемой Вселенной (и хорошенько поразмыслив), кажется, что вопрос о том, находится ли что-то за ее пределами попросту не имеет смысла. Это все равно, что спрашивать «Какой звук издает фиолетовый цвет?» Откровенно бессмысленный вопрос, потому что в нем мы пытаемся объединить две несвязанные концепции. А как вы думаете, находится ли что-то за пределами Вселенной и не бессмысленный ли это вопрос? Ответ будем ждать в нашем Telegram-чате, а также комментариях к этой статье.
Начало конца Вселенной: тайны темной энергии
Наша Вселенная расширяется с самого момента своего рождения около 14 миллиардов лет назад. И хотя может показаться, что со временем этот процесс должен замедлится, этого не происходит. Вселенная, вопреки нашим ожиданиям, расширяется со все возрастающей скоростью. Благодаря главенствующей в космологии теории Большого взрыва мы знаем, почему другие галактики удаляются от нас по мере того, как пространство продолжает расширяться. Этот феномен объясняет слабое свечение, наблюдаемое повсюду во Вселенной (свечение – это оставшееся тепло от рождения Вселенной, которое теперь остыло всего на несколько градусов выше абсолютного нуля). Словом, это удивительно мощное и элегантное объяснение того, как возникла наблюдаемая Вселенная. Но почему она расширяется все быстрее и быстрее? Концепция Большого взрыва, увы, не указывает на то, продолжит ли Вселенная расширяться и охлаждаться или же она в конечном итоге сократится до другой сверхгорячей сингулярности, тем самым, возможно, перезапустив весь цикл. Окончательная же судьба Вселенной, вероятно, зависит от свойств двух таинственных явлений – темной материи и темной энергии. Дальнейшее изучение того и другого может показать, как погибнет Вселенная.
Теория Большого взрыва гласит, что Вселенная возникла из одной невообразимо горячей и плотной точки под названием сингулярность более 13 миллиардов лет назад. Это произошло не в уже существующем пространстве. Скорее, это инициировало расширение — и охлаждение — самого пространства.
Как возникла Вселенная?
Итак, теория Большого взрыва объясняет создание самых легких элементов во Вселенной — водорода, гелия и лития — из которых «родились» все более тяжелые элементы в звездах и сверхновых. Продолжение Большого взрыва или космическая инфляция объясняет, почему Вселенная настолько однородна (равномерно составлена) и как галактики распределены в пространстве.
Интересно, что многие особенности современной Вселенной имеют смысл, только если пространство очень рано подверглось сверхбыстрому расширению. Теория инфляции гласит, что Вселенная резко расширилась за крошечную долю секунды после Большого взрыва, движимая фантастическими количествами энергии, содержащейся в самом пространстве. После этого периода Вселенная продолжала расширяться и охлаждаться, но гораздо более медленными темпами.
в большинстве моделей инфляции флуктуации в чрезвычайно малых масштабах раздуваются, превращаясь в макроскопические различия. Эти различия невероятно крошечные и чтобы описать с их помощью реальность, потребуется новая теория физики.
Выходит, инфляция растянула пространство так быстро, что оно стало чрезвычайно однородным. Но пространство неоднородно: небольшие колебания плотности материи, присутствовавшие в ранней Вселенной, значительно усилились во время инфляции. Эти флуктуации плотности в конечном итоге создали крупномасштабную структуру Вселенной.
Подробнее о том, что представляет собой эта удивительная структура, я рассказывала в этой статье, рекомендую к прочтению!
Несмотря на то, что теория Большого взрыва является общепринятой среди большинства исследователей, она не указывает на то, будет продолжит ли Вселенная расширяться и охлаждаться или же она в конечном итоге сократится до сверхгорячей сингулярности, возможно, перезапустив весь цикл. Окончательная судьба Вселенной, вероятно, зависит от свойств двух таинственных явлений – темной материи и темной энергия. Именно дальнейшее изучение того и другого может показать, каким будет конец Вселенной.
Проблема заключается в том, что вся знакомая материя — Земля, остальная часть Солнечной системы, звезды, галактики и межзвездный газ — составляет лишь около одной шестой массы Вселенной. Но ученые могут видеть влияние остальной массы Вселенной – ее-то они и называют темной материей.
Присутствие этой таинственной субстанции в галактиках заставляет их вращаться быстрее, чем если бы там была только обычная материя. Высокие концентрации темной материи заметно искривляют свет, идущий издалека. Однако его природа остается загадкой.
Ранее исследователи составили самую подробную карту распределения темной материи во Вселенной на сегодняшний день.
Напомним, что темная материя, вероятно, состоит из элементарных частиц, созданных в результате Большого взрыва, но еще не обнаруженных на Земле. Одна из причин, по которой физики хотят построить более мощные ускорители частиц, заключается в поиске темной материи. Но еще более таинственной, чем темная материя, является сила, которая, как считается, ответственна за расширение Вселенной.
Еще больше увлекательных статей о последних научных открытиях в области астрономии и космологии, читайте на нашем канале в Google News.
Темная энергия
Наблюдения далеких сверхновых звезд показывают, что пространство пронизано энергией – той самой темной энергией, которая раздвигает объекты, подобно тому, как два положительных электрических заряда отталкиваются друг от друга. Эта таинственная субстанция, на долю которой приходится более 70% энергетического содержания Вселенной, может быть связана с той энергией, что породила Инфляцию.
И все же сегодня ученым практически ничего не известно о том, что такое темная энергия и как она воздействует на материю. Некоторые физики считают, что объяснение этого феномена может потребовать совершенно новых представлений о пространстве и времени.
Когда астрономы смотрят в телескоп, они смотрят назад во времени. Они видят галактику Андромеды, ближайшую к нам крупную галактику, не такой, какая она сегодня, а такой, какой она была более 2 миллионов лет назад, потому что именно столько времени потребовалось свету галактики, чтобы пройти через космос к Земле.
Галактика Андромеды – ближайшая Галактика Местной группы
Другие галактики находятся гораздо дальше в пространстве и времени. Космический телескоп Hubble способен видеть галактики, которым более 13 миллиардов лет и которые образовались вскоре после Большого взрыва. Были также проведены наблюдения реликтового излучения – слабого свечения, оставшегося после Большого взрыва, которое помогает ученым получить представление о том, какой была ранняя Вселенная, особенно до образования первых звезд.
Состав Вселенной и другие вопросы
Большинство исследователей полагают, что состав вселенной на удивление сложно определить, ведь помимо темной энергии, пространство также заполнено темной материей. (Обычная видимая материя составляет всего 5% Вселенной, в то время как темная материя и темная энергия составляют 26% и 69% соответственно). Другими словами, астрономы на самом деле не понимают, из чего состоит около 95% Вселенной.
Все потому, что понять и измерить темную материю и темную энергию больше чем сложно. Представьте, что вы бродите по темной комнате и время от времени прикасаетесь к слону, которого никогда не видели и отчаянно пытаетесь понять что это такое и как он выглядит. Исходя из этой аналогии, темная комната размером со Вселенную, и вместо того, чтобы прикасаться к слону, астрономы могут видеть только его воздействие на другие объекты.
Материя во Вселенной распределена не равномерно
Мы видим, что темная материя гравитационно взаимодействует с видимой материей и подозреваем, что она состоит из одной или нескольких неизвестных частиц. Темная энергия может быть пятой фундаментальной силой Вселенной. (Известны четыре: слабое взаимодействие, сильное взаимодействие, гравитация и электромагнетизм.)
Но точные свойства темной энергии и темной материи остаются загадкой, тем более что темная энергия, похоже, не более чем случайность. Некоторые физики, как пишет портал Astronomy.com, полагают, что темная энергия является причиной ускоренного расширения Вселенной и произошло около 5-6 миллиардов лет назад, с тех являясь доминирующей силой.
Самое простое объяснение темной энергии состоит в том, что это – внутренняя энергия самого пространства. Альберт Эйнштейн первоначально ввел такую концепцию, чтобы учесть плоскую вселенную, когда излагал теорию относительности (ОТО). Так называемая космологическая постоянная Эйнштейна – это сила отталкивания, которая противодействует силе притяжения гравитации, чтобы Вселенная не сжималась и не расширялась.
Сегодня никто не знает, будет ли Вселенная расширяться вечно или этот процесс когда-нибудь закончится
Но, в конце концов, Эйнштейн отказался от своей концепции после того, как Эдвин Хаббл наблюдал расширение Вселенной. Нобелевская премия по сверхновым в 1990-х годах возродила космологическую постоянную и в конечном итоге связала ее с темной энергией. И хотя астрономы не могут видеть темную материю напрямую, они могут определить ее местоположение по наблюдениям. Распределение темной материи (пурпурного цвета) в сверхскоплении Abell 901/902 показано на этой фотографии путем объединения изображения сверхскопления в видимом свете и карты области темной материи.
В заключении
И все же, для окончательного решения этой загадки ученым потребуется нечто большее, чем просто измерения. Лучшие физики-теоретики мира пытались разработать единую физическую теорию, которая полностью объясняет все аспекты Вселенной. Но до сих пор гравитация и квантовая физика не нашли точек соприкосновения, несмотря на то, что теоретики считают, что их объединение необходимо для любой теории, способной объяснить темную энергию. Исследователи также отмечают, что если вклад темной энергии будет расти по мере старения Вселенной, то со временем Вселенная будет расширяться все быстрее.
Другие галактики за пределами нашей Локальной группы — которые сольются в единую гигантскую галактику по прозвищу Милкомеда — в конечном итоге будут унесены на такие большие расстояния, что любые обитатели нашей Солнечной системы в далеком будущем не смогут их увидеть.
Местная Группа галактик, в которой находимся мы и наша соседка Галактика Андромеды
В настоящее время астрономы планируют создание новых космических и наземных телескопов, а также более мелкомасштабное оборудование и проведение исследований. С помощью новейших инструментов они планируют дальнейшее изучение фундаментальных загадок Вселенной. Такой огромной и непрерывно расширяющейся.
Новости, статьи и анонсы публикаций
Свободное общение и обсуждение материалов
С самого момента их открытия, около 10 лет назад, быстрые дискретные радиоимпульсы не перестают удивлять ученых. Эти межгалактические всплески радиоизлучений…
Темная энергия — это неизвестная форма энергии, которая может отвечать за ускоренное расширение Вселенной. Новое исследование профессора Эдварда Кипреоса из …
В процессе перековки мечей на орала, команда ученых из Ливерморской национальной лаборатории (LLNL), а точнее Национальной лаборатории зажигания в Калифорнии…