Сколько вселенных существует в космосе
Одна или множество: сколько все-таки существует Вселенных?
05.07.2013 в 16:58
Наверное, многие задавались вопросом, каков все же внешний облик Вселенной на достаточно большом расстоянии, недоступном наблюдению? Другой вопрос: каков предел того, куда может заглянуть человек?
С момента Большого взрыва космический горизонт человека до самых дальних объектов может быть определен расстоянием в четырнадцать миллиардов световых лет. На данный момент эти объекты удалены на сорок миллиардов световых лет ввиду ускоренного роста Вселенной. Свет от более далеких объектов к нам еще не успел дойти. Итак, что же за горизонтом? Еще недавно по этому поводу физики отвечали: галактики и звезды, ничего нового. Однако благодаря современным достижениям в физике элементарных частиц и космологии в плане представлений о Вселенной появилась возможность переосмыслить эти понятия. В расчет берутся и другие законы физики, основанные на космической инфляции.
Для начала обратимся к краткому обзору стандартной космологии Большого взрыва, являющейся до открытия инфляции доминирующей теорией. В соответствии с ней возникновению Вселенной предшествовала колоссальная катастрофа, разразившаяся примерно четырнадцать миллиардов лет назад. При этом Большой взрыв произошел одновременно везде, а не в определенном каком-либо месте Вселенной. На тот момент не существовало ни звезд, ни галактик, ни атомов. Вселенная была наполнена очень горячим плотным быстро растворяющимся сгустком излучения и материи. При увеличении в размерах он остывал. Спустя три минуты после Большого взрыва снижение температуры достигло отметки, достаточной для формирования ядер атомов, что по прошествии полмиллиона лет привело к объединению ядер и электронов в электрически нейтральные атомы, а Вселенная стала прозрачной для света. Благодаря этому на сегодняшний день мы способны регистрировать свет от огненного сгустка, исходящего из всех небесных направлений. Мы называем его фоновым космическим излучением.
Изначально огненный сгусток с точки зрения однородности был практически идеален. Однако некоторые области имели плотность, чуть большую по сравнению с другими, и при росте все больше стягивали из окружающего пространства вещества. Так за миллиарды лет образовались новые галактики. И сравнительно, по космическим меркам, недавно появились мы, земляне.
В поддержку теории Большого взрыва выступают и данные наблюдений, убеждающие нас в корректности рассуждений. Во-первых, мы замечаем, как далекие галактики с достаточно большой скоростью устремляются от нас, что говорит о расширении Вселенной. Помимо этого в рамках теории Большого взрыва возможно объяснение распространенности легких элементов (таких как литий или гелий) во Вселенной. Но, что самое главное: дымящийся ствол Большого взрыва – это ничто иное как фоновое космическое излучение, являющееся послесвечием первичного огненного шара, которое позволяет наблюдать его и исследовать.
В итоге, у нас есть вполне успешная теория, которая все же не дает ответа на некоторые весьма интригующие вопросы, затрагивающие историю начального состояния Вселенной сразу после Большого взрыва. Что послужило причиной поднятия высокой температуры Вселенной? Из-за чего Вселенная стала расширяться, и каково ее прошлое до Большого взрыва? Ответ на эти вопросы таится в рассмотрении выдвинутой 28 лет назад теории Алана Гута.
Инфляция Космоса
В центре этой теории – своеобразная форма материи, которая называется ложным вакуумом, проще говоря, пустое пространство. Однако физики, занимающиеся изучением элементарных частиц, рассматривают вакуум в качестве физического объекта, обладающего энергией и давлением, и способного находиться в различного рода энергетических состояниях. При этом они дают им название состояний разных вакуумов, которые в зависимости от характеристик свойств элементарных частиц способны существовать в них.
Связь между вакуумом и частицами сродни связи между звуковыми волнами и веществом, по которому они простираются: скорость звука в различных материалах неодинакова. Человек живет в весьма низкоэнергетическом вакууме, отсюда и появилось просуществовавшее долгие годы убеждение физиков о нулевой энергии нашего вакуума. Но недавно в ходе наблюдений было выяснено, что он все же имеет немного отличную от нуля энергию, которая была впоследствии названа темной энергией.
По предсказаниям современных теорий элементарных частиц, кроме нашего вакуума есть и целый ряд других так называемых ложных высокоэнергетических вакуумов. Одновременно с тем, что ложный вакуум характеризуется достаточно высокой энергией, он еще и имеет высокое отрицательное давление, получившее название натяжения. Это примерно как растянуть кусочек резины: в результате появляется натяжение, то есть направленная внутрь сила, заставляющая резину сжиматься.
И все же самым необычным свойством ложного вакуума является отталкивающая гравитация. В соответствии с общей теорией относительности Эйнштейна возникновение гравитационных сил связано не только с массой (энергией), но и с давлением. Гравитационное притяжение вызвано положительным давлением, соответственно отталкивание – отрицательным давлением. Если же это вакуум, то здесь наблюдается преобладание отталкивающего действия давления над притягивающей силой, связанной с его энергией. В результате получается отталкивание, причем, чем больше энергия вакуума, тем отталкивание сильнее. Еще одной характеристикой ложного вакуума является его нестабильность и способность достаточно быстро распадаться. При этом он превращается в низкоэнергетический вакуум. Излишки энергии идут на создание огненного сгустка элементарных частиц. Обратим внимание, что Алан Гут специально для своей теории не стремился изобрести ложный вакуум с его необычными свойствами. Существование его идет из физики элементарных частиц. Ученый лишь выдвинул предположение, что в начале своей истории пространство Вселенной пребывало в состоянии ложного вакуума. При подобном раскладе отталкивающая гравитация, которая им вызывается, привела бы к весьма быстрому ускоряющемуся расширению Вселенной. В случае такого типа расширения, названного Гутом инфляцией, появляется характерное время удвоения, увеличивающее размеры Вселенной вдвое.
Ввиду нестабильности ложного вакуума происходит его распадение с последствующим появлением огненного сгустка. В этот момент инфляция заканчивается. В этой теории распад ложного вакуума играет роль Большого взрыва, и в этот момент Вселенная начинает развиваться соответственно представлениям стандартной космологии Большого взрыва.
Как образовалась Вселенная
Что же такое Вселенная? Если емко, то это сумма всего существующего. Это все время, пространство, материя и энергия, образовавшиеся и расширяющиеся вот уже 13.8 миллиардов лет. Никто не может точно сказать, насколько обширны просторы нашего мира и пока нет точных предсказаний финала.
Определение Вселенной
Само слово «Вселенная» происходит от латинского «universum». Впервые его использовал Цицерон, а уже после него оно стало общепринятым у римских авторов. Понятие обозначало мир и космос. На тот момент люди в этих словах видели Землю, все известные живые существа, Луну, Солнце, планеты (Меркурий, Венера, Марс, Юпитер и Сатурн) и звезды.
Иногда вместо «Вселенная» используют «космос», которое с греческого переводится как «мир». Кроме того, среди терминов фигурировали «природа» и «все».
В современном понятии вмещают все, что существует во Вселенной – наша система, Млечный Путь и прочие структуры. Также сюда входят все виды энергии, пространство-время и физические законы.
Одним из основных вопросов, которые не выходят из сознания человека, всегда был и является вопрос: «как появилась Вселенная?». Конечно же, однозначного ответа на данный вопрос нет, и вряд ли будет получен в скором времени, однако наука работает в этом направлении и формирует некую теоретическую модель зарождения нашей Вселенной.
Теории происхождения Вселенной
Креационизм: все создал Господь Бог
Среди всех теорий о происхождении Вселенной эта появилась самой первой. Очень хорошая и удобная версия, которая, пожалуй, будет иметь актуальность всегда. Кстати, многие ученые физики, несмотря на то что наука и религия часто представляются понятиями противоположными, верили в Бога.
Например, Альберт Эйнштейн говорил:
«Каждый серьезный естествоиспытатель должен быть каким-то образом человеком религиозным. Иначе он не способен себе представить, что те невероятно тонкие взаимозависимости, которые он наблюдает, выдуманы не им.»
Теория Большого Взрыва (модель горячей Вселенной)
Пожалуй, самая распространенная и наиболее признанная модель происхождения нашей Вселенной. Отвечает на вопрос — каким образом образовались химические элементы и почему распространённость их именно такая, какая сейчас наблюдается.
Согласно этой теории, около 14 миллиардов назад, пространства и времени не было, а вся масса вселенной была сосредоточена в крохотной точке с невероятной плотностью – в сингулярности. Однажды из-за возникшей в ней неоднородности, произошел так называемый Большой Взрыв. И с тех пор Вселенная постоянно расширяется и остывает.
Теория Большого взрыв
Первые 10 -43 секунды после Большого Взрыва называют этапом квантового хаоса. Природа мироздания на этом этапе существования не поддается описанию в рамках известной нам физики. Происходит распад непрерывного единого пространства-времени на кванты.
Спустя 10 000 лет энергия вещества постепенно превосходит энергию излучения и происходит их разделения. Вещество начинает доминировать над излучением, возникает реликтовый фон.
Теория Большого Взрыва тверже встала на ноги после открытия космологического красного смещения и реликтового излучения. Два этих явления — самые весомые доводы в пользу правильности теории.
Также разделение вещества с излучением значительно усилило изначальные неоднородности в распределении вещества, в результате чего начали образовываться галактики и сверхгалактики. Законны Вселенной пришли к тому виду, в котором мы наблюдаем их сегодня.
Модель расширяющейся Вселенной
Сейчас доподлинно известно, что Галактики и иные космические объекты удаляются друг от друга, а значит, Вселенная расширяется.
Модель расширяющейся Вселенной описывает сам факт расширения. В общем случае не рассматривается, когда и почему Вселенная начала расширяться. В основе большинства моделей лежит общая теория относительности и её геометрический взгляд на природу гравитации.
Красное смещение – это наблюдаемое для далеких источников понижение частот излучения, которое объясняется отдалением источников (галактик, квазаров) друг от друга. Данный факт свидетельствует о том, что Вселенная расширяется.
Реликтовое излучение – это как бы отголоски большого взрыва. Ранее Вселенная представляла собой горячую плазму, которая постепенно остывала. Еще с тех далеких времен во Вселенной остались так называемые блуждающие фотоны, которые образуют фоновое космическое излучение. Ранее при более высоких температурах Вселенной данное излучение было гораздо мощнее. Сейчас же его спектр соответствует спектру излучения абсолютно твердого тела с температурой всего 2,7 Кельвин.
Теория эволюции крупномасштабных структур
Как показывают данные по реликтовому фону, в момент отделения излучения от вещества Вселенная была фактически однородна, флуктуации вещества были крайне малыми, и это представляет собой значительную проблему.
Вторая проблема — ячеистая структура сверхскоплений галактик и одновременно сфероподобная — у скоплений меньших размеров. Любая теория, пытающаяся объяснить происхождение крупномасштабной структуры Вселенной, в обязательном порядке должна решить эти две проблемы.
Современная теория формирования крупномасштабной структуры, как впрочем и отдельных галактик, носит названия «иерархическая теория».
Суть — вначале галактики были небольшие по размеру (примерно как Магеллановы облака ), но со временем они сливаются, образуя всё большие галактики.
В последнее время верность теории поставлена под вопрос.
Теория струн
Эта гипотеза в некоторой степени опровергает Большой взрыв в качестве начального момента возникновения элементов открытого космоса.
Согласно теории струн, Вселенная существовала всегда. Гипотеза описывает взаимодействие и структуру материи, где существует определенный набор частиц, которые делятся на кварки, бозоны и лептоны. Говоря простым языком, эти элементы являются основой мироздания, поскольку их размер настолько мал, что деление на другие составляющие стало невозможным.
Отличительной чертой теории о том, как образовалась Вселенная, становится утверждение о вышеупомянутых частицах, которые представляют собой ультрамикроскопические струны, которые постоянно колеблются. Поодиночке они не имеют материальной формы, являясь энергией, которая в совокупности создает все физические элементы космоса.
Примером в данной ситуации послужит огонь: глядя на него, он кажется материей, однако он неосязаем.
Хаотическая теория инфляции — теория Андрея Линде
Согласно данной теории существует некоторое скалярное поле, которое неоднородно во всем своем объеме. То есть в различных областях вселенной скалярное поле имеет разное значение. Тогда в областях, где поле слабое – ничего не происходит, в то время как области с сильных полем начинают расширяться (инфляция) за счет его энергии, образуя при этом новые вселенные.
Такой сценарий подразумевает существование множества миров, возникших неодновременно и имеющих свой набор элементарных частиц, а, следовательно, и законов природы.
Теория Ли Смолина
Эта теория достаточно известна и предполагает, что Большой Взрыв не является началом существования Вселенной, а – лишь фазовым переходом между двумя ее состояниями. Так как до Большого Взрыва Вселенная существовала в форме космологической сингулярности, близкой по своей природе к сингулярности черной дыры, Смолин предполагает, что Вселенная могла возникнуть из черной дыры.
Эволюция Вселенной
Как происходил процесс развития и эволюции Вселенной? В течение следующих миллиардов лет гравитация заставила более плотные области притягиваться. В этом процессе формировались газовые облака, звезды, галактические структуры и прочие небесные объекты.
Этот период именуют Структурной Эпохой, так как именно в этот временной отрезок зарождалась современная Вселенная. Видимое вещество распределялось на различные формирования (звезды в галактики, а те в скопления и сверхскопления).
Что было до появления Вселенной
Сложно представить время за 13,7 миллиардов лет до сегодняшнего дня, когда вся Вселенная представляла собой сингулярность. Согласно теории Большого взрыва, один из главных претендентов на роль объяснения того, откуда появилась Вселенная и вся материя в космосе — все было сжато в точку, меньшую, чем субатомная частица. Но если это еще можно принять, задумайтесь вот о чем: что же было до того, как случился Большой взрыв?
Этот вопрос современной космологии уходит корнями еще в четвертое столетие нашей эры. 1600 лет назад теолог Августин Блаженный как и один из лучших физиков 20 века Альберт Эйнштейн пытались понять природу до сотворения Вселенной. Они пришли к выводу , что просто не было никакого «до».
В настоящее время человеком выдвигаются различные теории.
Теория Мультивселенной
Что если наша Вселенная является потомком другой, старшей Вселенной? Некоторые астрофизики полагают, что пролить свет на эту историю поможет реликтовое излучение, оставшееся от большого взрыва.
Согласно этой теории, в первые мгновения своего существования Вселенная начала чрезвычайно быстро расширяться. Также теория объясняет температуру и плотность флуктуаций реликтового излучения и подсказывает, что эти флуктуации должны быть одинаковыми.
Но, как выяснилось, нет. Последние исследования дали понять, что Вселенная на самом деле однобока, и в некоторых областях флуктуаций больше, чем в других. Некоторые космологи считают, что это наблюдение подтверждает, что у нашей Вселенной была «мать»(!)
В теории хаотической инфляции эта идея приобретает размах: бесконечный прогресс инфляционных пузырьков порождает обилие вселенных, и каждая из них порождает еще больше инфляционных пузырьков в огромном количестве Мультивселенных.
Теория белых и черных дыр
Тем не менее, существуют модели, которыми пытаются объяснить образование сингулярности до большого взрыва. Если вы думаете о черных дырах как о гигантских мусоросборниках, они являются главными кандидатами первоначального сжатия, поэтому наша расширяющаяся Вселенная вполне может быть белой дырой — выходным отверстием черной дыры, и каждая черная дыра в нашей Вселенной может вмещать в себя отдельную вселенную.
Большой скачок
Другие ученые считают, что в основе формирования сингулярности лежит цикл под названием «большой скачок», в результате которого расширяющаяся вселенная в итоге коллапсирует сама в себя, порождая другую сингулярность, которая, опять же, порождает другой большой взрыв.
Этот процесс будет вечным, и все сингулярности и все схлопывания не будут представлять собой ничего другого, кроме как переход в другую фазу существования Вселенной.
Теория циклической Вселенной
Последнее объяснение, которое мы рассмотрим, использует идею циклической Вселенной, порожденной теорией струн. Она предполагает, что новая материя и потоки энергии появляются каждые триллионы лет, когда две мембраны или браны, лежащие за пределами наших измерений, сталкиваются между собой.
Что было до Большого взрыва? Вопрос остается открытым. Может быть, ничего. Может, другая Вселенная или другая версия нашей. Может, океан Вселенных, в каждой из которых — свой набор законов и констант, диктующих природу физической реальности.
Проблемы современных моделей рождения и эволюции Вселенной
Многие теории, касающиеся Вселенной в последнее время сталкиваются с проблемами, как теоретического, так и, что более важно, наблюдательного характера:
- Вопрос о форме Вселенной является важным открытым вопросом космологии. Говоря математическим языком, перед нами стоит проблема поиска трёхмерного пространственного сечения Вселенной, то есть такой фигуры, которая наилучшим образом представляет пространственный аспект Вселенной.
- Неизвестно, является ли Вселенная глобально пространственно плоской, то есть применимы ли законы Евклидовой геометрии на самых больших масштабах.
- Также неизвестно, является ли Вселенная односвязной или многосвязной. Согласно стандартной модели расширения, Вселенная не имеет пространственных границ, но может быть пространственно конечна.
- Существуют предположения, что Вселенная изначально родилась вращающейся. Классическим представлением о зарождении является идея об изотропности Большого взрыва, то есть о распространении энергии одинаково во все стороны. Однако появилась и получила некоторое подтверждение конкурирующая гипотеза о наличии изначального момента вращения Вселенной.
Видео
Сколько вселенных существует в космосе
Ученые теперь знают, что Вселенная расширяется со все возрастающей скоростью. А если она расширяется, то во что? Другими словами, что находится за пределами Вселенной?
Определение этого «за пределами Вселенной» будет означать, что Вселенная имеет край. И здесь все становится сложнее, потому что ученые не уверены, существует ли такой край.
Одна из форм вопроса выглядит так:
«не могли бы мы пойти куда-нибудь, чтобы мы смогли посмотреть» за пределы «Вселенной», например, как заглянуть за край скалы или посмотреть в окно, чтобы увидеть что снаружи здания?»
Ответ на этот вопрос: «вероятно, нет.»
Одна из причин связана с «космологическим принципом», — говорит Роберт Макнис, адъюнкт-профессор физики в университете Лойола в Чикаго. Космологический принцип утверждает, что распределение материи в любой части Вселенной выглядит примерно так же, как и в любой другой части, независимо от того, в каком направлении вы смотрите. С точки зрения ученых Вселенная изотропна.
Космологический принцип отчасти является следствием идеи о том, что законы физики везде одинаковы.
«Существует много местных вариаций — звезд, галактик, кластеров и т. д. — но усредненное по большим кускам пространства, никакое место на самом деле не отличается от другого где-либо еще»
Подразумевается, что нет «края»; нет места, где Вселенная просто заканчивается, и можно посмотреть в каком-то направлении и увидеть, что за ней находится.
Одной из аналогий, часто используемых для описания этой бескрайней вселенной является поверхность воздушного шара. Муравей на такой поверхности может идти в любом направлении, и это выглядело бы так, как будто поверхность была «неограниченной» — то есть муравей мог бы вернуться туда, где он начал, но не было бы конца пути. Так что даже если поверхность шара состоит из конечного числа квадратных единиц, у него нет края и границ (так можно идти вечно в каком-то одном направлении). Кроме того, нет «центра», поэтому нет предпочтительной точки на сферической поверхности шара.
Вселенная представляет собой трехмерную версию оболочки воздушного шара.
Художественная масштабная концепция наблюдаемой Вселенной. Галактики уступают место крупномасштабной структуре и горячей плотной плазме Большого взрыва на окраинах. Этот «край» является границей только во времени
Но как Вселенная может расширяться, если у нее нет конца или края?
Используем аналогию с воздушным шаром еще раз. Если добавить больше воздуха воздушному шару, то муравей будет наблюдать, как другие вещи на поверхности воздушного шара становятся все дальше. И чем больше становится расстояние между муравьем и каким-то объектом, тем быстрее этот объект будет отдаляться. Но независимо от того, где муравей скитался, скорость, с которой эти объекты отдалялись, будет следовать тем же отношениям — если бы муравей придумал уравнение, описывающее, как быстро удаляются самые дальние объекты, оно бы работало одинаково в любом месте на поверхности воздушного шара.
Однако воздушные шары при взрыве расширяются в трехмерное пространство. Проблема в том, что это не относится ко Вселенной. По определению, Вселенная содержит все, поэтому нет «снаружи».
Физик Стивен Хокинг часто говорил, что весь вопрос не имеет смысла, потому что если Вселенная возникла из ничего и привела все к существованию, то спрашивать, что лежит за пределами Вселенной, — это как спрашивать, что находится к северу от Северного полюса.
Д-р Кэти Мак, теоретический астрофизик из Мельбурнского университета в Австралии, говорит, что было бы более полезно думать о Вселенной как о менее плотной, а не о расширяющейся. То есть концентрация материи во Вселенной уменьшается по мере расширения Вселенной, сказала она.
Так происходит потому, что галактики не удаляются друг от друга через пространство — это само пространство становится больше. Таким образом, любые инопланетяне в галактиках, которых видят люди, придут к тому же выводу, что и земляне: все остальное движется во всех направлениях, а местная Галактика находится в покое.
Поскольку пространство расширяется, галактики могут выглядеть так, как будто они движутся быстрее света, не нарушая относительности, которая говорит, что ничто не может идти быстрее света в вакууме. Фактический размер наблюдаемой Вселенной составляет 46 миллиардов световых лет в любом направлении, хотя Вселенная появилась только 13,8 миллиарда лет назад, говорит Мак.
Но это все еще устанавливает ограничение на размер Вселенной, которую люди могут видеть, называемую наблюдаемой Вселенной. Ничего за пределами этого радиуса в 46 миллиардов световых лет не видно землянам, и никогда не будет видно, потому что расстояния между объектами во Вселенной становятся больше со скоростью, которая быстрее, чем световые лучи могут добраться до Земли.
Кроме того, темпы роста были неодинаковыми. В течение короткой доли секунды после Большого взрыва был период ускоренного расширения, называемого инфляцией, в течение которого Вселенная росла гораздо более быстрыми темпами, чем она растет сейчас. По этой причине целые регионы космоса никогда не будут наблюдаться с Земли.
Бесконечный космос?
Между тем, остается открытым вопросом, бесконечна ли Вселенная в космосе с самого начала. Или Вселенная может обернуться вокруг себя в более высокое измерение так же, как ДВУМЕРНАЯ поверхность сферы обертывается вокруг себя в трех измерениях.
Дополнительным фактором является то, возникла ли Вселенная из ничего, через небольшие колебания в вакууме, или, как предложили Хокинг и Джеймс Хартл, время и пространство становятся взаимозаменяемыми близко к началу. Если любой вариант из них имел место, то спрашивать, что было до Вселенной и что находится за ее пределами, не имеет смысла.
Мак сказала, что продолжаются попытки решить вопрос о том, похожа ли Вселенная на сферу, изгибающуюся назад на себя, так что, если вы путешествуете в одном направлении, вы в конечном итоге вернетесь к своей отправной точке.
«Мы ищем повторяющиеся пятна на небе»
Это то, что люди ищут, когда ищут доказательства того, что Вселенная конечна. … Наше пространство может быть трехмерным пространством, встроенным в четырехмерное пространство.(Вселенная имеет четыре измерения, с которыми взаимодействуют люди, три пространства и одно время, но это будет означать, что существует дополнительное, четвертое пространственное измерение.)
Если бы астрономы нашли два места на противоположных сторонах неба, которые были точно такими же, это было бы сильным признаком того, что Вселенная изогнута таким образом. Однако нет никаких гарантий этого. В то время как некоторые космологические теории, такие как теория струн, позиционируют более высокие измерения, большинство из них будут «свернутыми» и малыми, тогда как «дополнительное» пространственное измерение изогнутой Вселенной должно быть большим.
Все это означает, что если есть конец Вселенной, люди вполне могут никогда не увидеть его, и есть реальная возможность того, что Вселенная сформирована так, что у нее не может быть границы для начала.
Источники:
http://rwspace.ru/article/vselennaya/odna-ili-mnozhestvo-skolko-vse-taki-sushhestvuet-vselennyx.html
http://asteropa.ru/kak-obrazovalas-vselennaya/
http://mindreligion.ru/gde-granitsa-kosmosa/
