14 миллиардов световых лет. Каковы размеры нашей вселенной
Доктор педагогических наук Е. ЛЕВИТАН, действительный член Российской академии естественных наук
Наука и жизнь // Иллюстрации
Одна из лучших современных астрофизических обсерваторий - Европейская южная обсерватория (Чили). На снимке: уникальный инструмент этой обсерватории - "Телескоп новых технологий" (NТТ).
Фотография обратной стороны 3,6-метрового главного зеркала "Телескопа новых технологий".
Спиральная галактика NGC 1232 в созвездии Эридана (расстояние до нее около 100 млн световых лет). Размер - 200 световых лет.
Перед вами огромный, возможно, раскаленный до сотен миллионов градусов по Кельвину газовый диск (его диаметр около 300 световых лет).
Странный, казалось бы, вопрос. Разумеется, мы видим и Млечный Путь и другие, более близкие к нам звезды Вселенной. Но вопрос, поставленный в заглавии статьи, на самом-то деле не так уж прост, а потому постараемся разобраться в этом.
Яркое Солнце днем, Луна и звездная россыпь на ночном небе всегда привлекали к себе внимание человека. Судя по наскальным рисункам, на которых древнейшие живописцы запечатлели фигуры наиболее приметных созвездий, уже тогда люди, по крайней мере наиболее любознательные из них, вглядывались в таинственную красоту звездного неба. И уж конечно проявляли интерес к восходу и заходу Солнца, к загадочным изменениям вида Луны... Вероятно, так зарождалась "примитивно-созерцательная" астрономия. Произошло это на много тысяч лет раньше, чем возникла письменность, памятники которой стали для нас уже документами, свидетельствующими о зарождении и развитии астрономии.
Сначала небесные светила, может быть, были только предметом любопытства, потом - обожествления и, наконец, стали помогать людям, выполняя роль компаса, календаря, часов. Серьезным поводом для философствования о возможном устройстве Вселенной могло стать открытие "блуждающих светил" (планет). Попытки разгадать непонятные петли, которые описывают планеты на фоне якобы неподвижных звезд, привели к построению первых астрономических картин или моделей мира. Апофеозом их по праву считается геоцентрическая система мира Клавдия Птолемея (II век н. э.). Древние астрономы пытались (в основном безуспешно) определить (но еще не доказать!), какое место Земля занимает по отношению к семи известным тогда планетам (таковыми считались Солнце, Луна, Меркурий, Венера, Марс, Юпитер и Сатурн). И только Николаю Копернику (1473-1543) это наконец удалось.
Птолемея называют создателем геоцентрической, а Коперника - гелиоцентрической системы мира. Но принципиально эти системы отличались только содержащимися в них представлениями о расположении Солнца и Земли по отношению к истинным планетам (Меркурию, Венере, Марсу, Юпитеру, Сатурну) и к Луне.
Коперник, по существу, открыл Землю как планету, Луна заняла подобающее ей место спутника Земли, а центром обращения всех планет оказалось Солнце. Солнце и движущиеся вокруг него шесть планет (включая Землю) - это и была Солнечная система, какой ее представляли в XVI веке.
Система, как мы теперь знаем, далеко не полная. Ведь в нее кроме известных Копернику шести планет входят еще Уран, Нептун, Плутон. Последний был открыт в 1930 году и оказался не только самой далекой, но и самой маленькой планетой. Кроме того, в Солнечную систему входят около сотни спутников планет, два пояса астероидов (один - между орбитами Марса и Юпитера, другой, недавно открытый, - пояс Койпера - в области орбит Нептуна и Плутона) и множество комет с разными периодами обращения. Гипотетическое "Облако комет" (что-то вроде сферы их обитания) находится, по разным оценкам, на расстоянии порядка 100-150 тысяч астрономических единиц от Солнца. Границы Солнечной системы соответственно многократно расширились.
В начале 2002 года американские ученые "пообщались" со своей автоматической межпланетной станцией "Пионер-10", которая была запущена 30 лет назад и успела улететь от Солнца на расстояние 12 млрд километров. Ответ на радиосигнал, посланный с Земли, пришел через 22 ч 06 мин (при скорости распространения радиоволн около 300 000 км/сек). Учитывая сказанное, "Пионеру-10" еще долго придется лететь до "границ" Солнечной системы (конечно, достаточно условных!). А дальше он полетит к ближайшей на его пути звезде Альдебаран (самая яркая звезда в созвездии Тельца). Туда "Пионер-10", возможно, домчится и доставит заложенные в нем послания землян только через 2 млн лет...
От Альдебарана нас отделяют не менее 70 световых лет. А расстояние до самой близкой к нам звезды (в системе a Центавра) всего 4,75 светового года. Сегодня даже школьникам надлежит знать, что такое "световой год", "парсек" или "мегапарсек". Это уже вопросы и термины звездной астрономии, которой не только во времена Коперника, но и много позже просто не существовало.
Предполагали, что звезды - далекие светила, но природа их была неизвестна. Правда, Джордано Бруно, развивая идеи Коперника, гениально предположил, что звезды - это далекие солнца, причем, возможно, со своими планетными системами. Правильность первой части этой гипотезы стала совершенно очевидной только в XIX веке. А первые десятки планет около других звезд были открыты лишь в самые последние годы недавно закончившегося XX века. До рождения астрофизики и до применения в астрономии спектрального анализа к научной разгадке природы звезд просто невозможно было приблизиться. Вот и получалось, что звезды в прежних системах мира почти никакой роли не играли. Звездное небо было своеобразной сценой, на которой "выступали" планеты, а о природе самих звезд особо не задумывались (иногда упоминали о них, как... о "серебряных гвоздиках", воткнутых в твердь небесную). "Сфера звезд" была своеобразной границей Вселенной и в геоцентрической и в гелиоцентрической системе мира. Вся Вселенная, естественно, считалась видимой, а то, что за ее пределами, - "царствие небесное"...
Сегодня мы знаем, что невооруженным глазом видна лишь ничтожная часть звезд. Белесоватая полоса, протянувшаяся через все небо (Млечный Путь), оказалась, как догадывались еще некоторые древние греческие философы, множеством звезд. Наиболее яркие из них Галилей (в начале XVII века) различил даже с помощью своего весьма несовершенного телескопа. По мере увеличения размеров телескопов и их совершенствования астрономы получали возможность постепенно проникать в глубь Вселенной, как бы зондируя ее. Но далеко не сразу стало понятно, что звезды, наблюдаемые в разных направлениях неба, имеют какое-то отношение к звездам Млечного Пути. Одним из первых, кому удалось это доказать, был английский астроном и оптик В. Гершель. Поэтому с его именем связывают открытие нашей Галактики (ее иногда так и называют - Млечный Путь). Однако увидеть целиком нашу Галактику простому смертному, видимо, не дано. Конечно, достаточно заглянуть в учебник астрономии, чтобы обнаружить там ясные схемы: вид Галактики "сверху" (с отчетливой спиральной структурой, с рукавами, состоящими из звезд и газово-пылевой материи) и вид "сбоку" (в этом ракурсе наш звездный остров напоминает двояковыпуклую линзу, если не вдаваться в некоторые детали строения центральной части этой линзы). Схемы, схемы... А где же хотя бы одна фотография нашей Галактики?
Гагарин был первым из землян, кто увидел нашу планету из космического пространства. Теперь, наверное, каждый видел фотографии Земли из космоса, переданные с борта искусственных спутников Земли, с автоматических межпланетных станций. Сорок один год минул со времени полета Гагарина, и 45 лет со дня запуска первого ИСЗ - начала космической эры. Но и поныне никто не знает, сможет ли когда-нибудь человек увидеть Галактику, выйдя за ее пределы... Для нас это вопрос из области фантастики. А потому вернемся к реальности. Но только при этом, пожалуйста, подумайте о том, что всего лишь лет сто назад нынешняя реальность могла показаться самой невероятной фантастикой.
Итак, открыты Солнечная система и наша Галактика, в которой Солнце - одна из триллионов звезд (невооруженным глазом на всей небесной сфере видно около 6000 звезд), а Млечный Путь - проекция части Галактики на небесную сферу. Но подобно тому, как в XVI веке земляне поняли, что наше Солнце - самая рядовая звезда, мы теперь знаем, что наша Галактика - одна из множества ныне открытых других галактик. Среди них, как и в мире звезд, есть гиганты и карлики, "обычные" и "необычные" галактики, относительно спокойные и чрезвычайно активные. Они находятся на громадных расстояниях от нас. Свет от самой близкой из них мчится к нам почти два миллиона триста тысяч лет. А ведь эту галактику мы видим даже невооруженным глазом, она в созвездии Андромеды. Это очень большая спиральная галактика, похожая на нашу, и поэтому ее фотографии в какой-то степени "компенсируют" отсутствие снимков нашей Галактики.
Почти все открытые галактики удается рассмотреть лишь на фотографиях, полученных с помощью современных наземных телескопов-гигантов или космических телескопов. Применение радиотелескопов и радиоинтерферометров помогло существенно дополнить оптические данные. Радиоастрономия и внеатмосферная рентгеновская астрономия приоткрыли завесу над тайной процессов, происходящих в ядрах галактик и в квазарах (самых далеких из известных ныне объектов нашей Вселенной, почти неотличимых от звезд на фотографиях, полученных с помощью оптических телескопов).
В чрезвычайно огромном и практически скрытом от глаз мегамире (или в Метагалактике) удалось открыть его важные закономерности и свойства: расширение, крупномасштабную структуру. Все это несколько напоминает другой, уже открытый и во многом разгаданный микромир. Там исследуются совсем близкие к нам, но тоже невидимые кирпичики мироздания (атомы, адроны, протоны, нейтроны, мезоны, кварки). Познав устройство атомов и закономерности взаимодействия их электронных оболочек, ученые буквально "оживили" Периодическую систему элементов Д. И. Менделеева.
Самое важное то, что человек оказался способным открыть и познать непосредственно не воспринимаемые им миры различных масштабов (мегамир и микромир).
В этом контексте астрофизика и космология вроде бы не оригинальны. Но тут мы приближаемся к самому интересному.
"Занавес" издавна известных созвездий открылся, унося с собой последние потуги нашего "центризма": геоцентризма, гелиоцентризма, галактикоцентризма. Мы сами, как и наша Земля, как Солнечная система, как Галактика, - всего лишь "частицы" невообразимой по обыденным масштабам и по сложности структуры Вселенной, именуемой "Метагалактика". Она включает в себя множество систем галактик разной сложности (от "двойных" до скоплений и сверхскоплений). Согласитесь, что при этом осознание масштаба собственной ничтожной величины в необъятном мегамире не унижает человека, а, наоборот, возвышает мощь его Разума, способного открыть все это и разобраться в том, что было открыто ранее.
Казалось бы, пора и успокоиться, поскольку современная картина строения и эволюции Метагалактики в общих чертах создана. Однако, во-первых, она таит в себе много принципиально нового, ранее неведомого для нас, а во-вторых, не исключено, что кроме нашей Метагалактики есть и другие мини-вселенные, образующие пока еще гипотетическую Большую Вселенную...
Может быть, на этом стоит пока остановиться. Потому что нам бы сейчас, как говорится, со своей Вселенной разобраться. Дело в том, что она в конце ХХ века преподнесла астрономии большой сюрприз.
Тем, кто интересуется историей физики, известно, что в начале ХХ века некоторым великим физикам показалось, будто бы их титанический труд завершен, ибо все главное в этой науке уже открыто и исследовано. Правда, на горизонте оставалась пара странных "облачков", но мало кто предполагал, что они вскоре "обернутся" теорией относительности и квантовой механикой... Неужели что-то подобное ожидает астрономию?
Вполне вероятно, потому что наша Вселенная, наблюдаемая с помощью всей мощи современных астрономических инструментов и вроде бы уже довольно основательно изученная, может оказаться лишь вершиной вселенского айсберга. А где же его остальная часть? Как могло возникнуть столь дерзкое предположение о существовании еще чего-то громадного, материального и совершенно доселе неизвестного?
Вновь обратимся к истории астрономии. Одной из ее триумфальных страниц было открытие планеты Нептун "на кончике пера". Гравитационное воздействие какой-то массы на движение Урана натолкнуло ученых на мысль о существовании неизвестной еще планеты, позволило талантливым математикам определить ее местоположение в Солнечной системе, а потом точно указать астрономам, где ее искать на небесной сфере. И в дальнейшем гравитация оказывала астрономам подобные услуги: помогала открывать разные "диковинные" объекты - белых карликов, черные дыры. Так вот и теперь исследование движения звезд в галактиках и галактик в их скоплениях привело ученых к выводу о существовании таинственного невидимого ("темного") вещества (а может быть, вообще какой-то неведомой нам формы материи), и запасы этого "вещества" должны быть колоссальными.
По наиболее смелым оценкам, все то, что мы наблюдаем и учитываем во Вселенной (звезды, газово-пылевые комплексы, галактики и т. д.), составляет лишь 5 процентов от массы, которая "должна была бы быть" по расчетам, основанным на законах гравитации. Эти 5 процентов включают весь известный нам мегамир от пылинок и распространенных в космосе атомов водорода до сверхскоплений галактик. Некоторые астрофизики относят сюда даже всепроникающие нейтрино, считая, что, несмотря на их небольшую массу покоя, нейтрино своим бессчетным количеством вносят определенный вклад все в те же 5 процентов.
Но, может быть, "невидимое вещество" (или по крайней мере часть его, неравномерно распределенная в пространстве) - это масса потухших звезд или галактик либо таких невидимых космических объектов, как черные дыры? В какой-то мере подобное допущение не лишено смысла, хотя недостающие 95 процентов (или, по другим оценкам, 60-70 процентов) восполнить не удастся. Астрофизики и космологи вынуждены перебирать различные другие, в основном гипотетические, возможности. Наиболее фундаментальные идеи сводятся к тому, что значительная часть "скрытой массы" - это "темное вещество", состоящее из не известных нам элементарных частиц.
Дальнейшие исследования в области физики покажут, какие элементарные частицы кроме тех, которые состоят из кварков (барионы, мезоны и др.) или являются бесструктурными (например, мюоны), могут существовать в природе. Разгадать эту загадку будет, вероятно, легче, если объединить силы физиков, астрономов, астрофизиков, космологов. Немалые надежды возлагаются на данные, которые могут быть получены уже в ближайшие годы в случае успешных запусков специализированных космических аппаратов. Например, планируется запустить космический телескоп (диаметр 8,4 метра). Он сможет зарегистрировать огромное число галактик (до 28-й звездной величины; напомним, что невооруженным глазом видны светила до 6-й звездной величины), а это позволит построить карту распределения "скрытой массы" по всему небу. Из наземных наблюдений тоже можно извлечь определенную информацию, поскольку "скрытое вещество", обладая большой гравитацией, должно искривлять лучи света, идущие к нам от далеких галактик и квазаров. Обрабатывая на компьютерах изображения таких источников света, можно зарегистрировать и оценить невидимую гравитирующую массу. Подобного рода обзоры отдельных участков неба уже сделаны. (См. статью академика Н. Кардашева "Космология и проблемы SETI", недавно опубликованную в научно-популярном журнале президиума РАН "Земля и Вселенная", 2002, № 4.)
В заключение вернемся к вопросу, сформулированному в названии данной статьи. Думается, что после всего сказанного вряд ли на него можно уверенно дать положительный ответ... Древнейшая из самых древних наук - астрономия только начинается.
Наш мир, родившийся в процессе Большого взрыва, и поныне расширяется, а объем разделяющего галактики пространства стремительно увеличивается. Скопления галактик, удаляясь друг от друга, тем не менее остаются устойчивыми образованиями с определенными размерами и стабильной структурой. Да и атомы вовсе не набухают в процессе расширения Вселенной, в отличие от свободно летающих фотонов, увеличивающих свою длину волны в процессе перемещения по расширяющемуся пространству. Куда же ушла энергия реликтовых фотонов? Почему мы можем видеть квазары, удаляющиеся от нас со сверхсветовой скоростью? Что такое темная энергия? Почему доступная нам часть Вселенной все время сокращается? Это лишь часть вопросов, над которыми думают сегодня космологи, стараясь согласовать общую теорию относительности с картиной Мира, наблюдаемой астрономами.
Сфера Хаббла
Согласно закону Хаббла, описывающего расширение Вселенной, радиальные скорости галактик пропорциональны расстоянию до них с коэффициентом Н 0 , который сегодня называется постоянной Хаббла .
Значение Н 0 определяется по наблюдениям галактических объектов, расстояния до которых измерены, главным образом, по ярчайшим звёздам или цефеидам.
Большинство независимых оценок Н 0 дают для этого параметра в настоящее время значение приблизительно около 70 км/с на мегапарсек.
Это означает, что галактики, находящиеся на расстоянии 100 мегапарсек, удаляются от нас со скоростью примерно 7000 км/с.
В моделях расширяющейся Вселенной постоянная Хаббла изменяется со временем, но термин «постоянная» оправдан тем, что в каждый данный момент времени во всех точках Вселенной постоянная Хаббла одинакова.
Величина, обратная постоянной Хаббла, имеет смысл характерного времени расширения Вселенной на текущий момент. Для современного значения постоянной Хаббла, возраст Вселенной оценивается приблизительно в 13,8 млрд лет.
Относительно центра сферы Хаббла скорость расширения пространства внутри нее меньше световой, а вне ее – больше. На самой сфере Хаббла световые кванты как бы вморожены в пространство, которое расширяется там со световой скоростью, и поэтому она становится еще одним горизонтом – горизонтом фотонов .
Если расширение вселенной замедляется, то радиус сферы Хаббла возрастает, поскольку он обратно пропорционален уменьшающемуся хаббловскому параметру. В таком случае по мере старения вселенной эта сфера охватывает все новые и новые области пространства и впускает все новые и новые световые кванты. С течением времени наблюдатель увидит галактики и внутригалактические события, которые ранее находились вне его фотонного горизонта. Если же расширение вселенной ускоряется, то радиус хаббловской сферы, напротив, сокращается.
В космологии говорят о трех важных поверхностях: горизонте событий, горизонте частиц и сфере Хаббла. Две последние являются поверхностями в пространстве, а первая – в пространстве - времени. Со сферой Хаббла мы уже познакомились, поговорим теперь о горизонтах.
Горизонт частиц
Горизонт частиц отделяет наблюдаемые в настоящий момент объекты от ненаблюдаемых.
Из-за конечности скорости света наблюдатель видит небесные объекты такими, какими они были в более или менее отдаленном прошлом. За пределами горизонта частиц лежат галактики, которые в данный момент не наблюдаются ни на едином этапе их предшествующей эволюции. Это означает, что их мировые линии в пространстве-времени нигде не пересекают поверхность, по которой распространяется свет, приходящий к наблюдателю с момента рождения Вселенной. Внутри горизонта частиц расположены галактики, чьи мировые линии в прошлом пересеклись с этой поверхностью. Именно эти галактики и составляют часть Вселенной, в принципе доступную наблюдению в данный момент времени.
Для нерасширяющейся Вселенной размер горизонта частиц растет с возрастом, и рано или поздно все области Вселенной окажутся доступными для изучения. Но в расширяющейся Вселенной это не так. Более того, в зависимости от скорости расширения размер горизонта частиц может зависеть от времени, прошедшего с момента начала расширения, по более сложному закону, чем простая пропорциональность. В частности, в ускоренно расширяющейся Вселенной размер горизонта частиц может стремиться к постоянной величине. Это означает, что есть области принципиально ненаблюдаемые, есть процессы принципиально непознаваемые.
Кроме того, размер горизонта частиц ограничивает размер причинно-связанных областей. Действительно, две пространственные точки, разделенные расстоянием больше размера горизонта, никогда не взаимодействовали в прошлом. Поскольку самое быстрое взаимодействие (обмен лучами света) еще не произошло, то и любое другое взаимодействие исключено. Поэтому никакое событие в одной точке не может иметь в качестве своей причины событие, произошедшее в другой точке. В случае, когда размер горизонта частиц стремится к постоянной величине, Вселенная разбивается на причинно-несвязанные области, эволюция в которых протекает независимо.
Таким образом, нам не дано знать, какова Вселенная за пределами нынешнего горизонта частиц. Некоторые теории ранней Вселенной утверждают, что очень далеко за этим горизонтом она совсем не похожа на то, что мы видим. Этот тезис вполне научен, поскольку он вытекает из вполне разумных вычислений, однако его нельзя ни опровергнуть, ни подтвердить с помощью астрономических наблюдений, доступных в наше время, Более того, если пространство и дальше будет расширяться с ускорением, его нельзя будет проверить и в сколь угодно отдаленном будущем.
Источники на горизонте частиц имеют бесконечное красное смещение. Это самые древние фотоны, которые хотя бы теоретически можно сейчас «увидеть». Они были излучены практически в момент Большого взрыва. Тогда размер видимой сегодня части Вселенной был крайне мал, а значит, с тех пор все расстояния очень сильно выросли. Отсюда и возникает бесконечное красное смещение. Конечно, на самом деле мы не можем увидеть фотоны с самого горизонта частиц. Вселенная в годы своей молодости была непрозрачной для излучения. Поэтому фотоны с красным смещением больше 1 000 не наблюдаются. Если в будущем астрономы научатся регистрировать реликтовые нейтрино, то это позволит заглянуть в первые минуты жизни Вселенной, соответствующие красному смещению – Зх10 7 . Еще большего прогресса можно будет достичь при детектировании реликтовых гравитационных волн, добравшись до «планковских времен» (10 -43 секунд с начала взрыва). С их помощью можно будет заглянуть в прошлое настолько далеко, насколько это в принципе возможно с помощью известных на сегодня законов природы. Вблизи начального момента большого взрыва общая теория относительности уже неприменима.
Горизонт событий
Горизонт событий – это поверхность в пространстве-времени . Такой горизонт возникает не во всякой космологической модели. Например, в замедляющейся Вселенной горизонта событий нет – любое событие из жизни удаленных галактик можно увидеть, если достаточно долго подождать. Смысл введения этого горизонта в том, что он отделяет события, которые могут повлиять на нас хотя бы в будущем, от тех, которые никак повлиять на нас не смогут. Если даже световой сигнал о событии не доходит до нас, то и само событие не может оказать на нас влияние. Почему такое возможно? Причин может быть несколько. Самая простая – модель с «концом света». Если будущее ограничено во времени, то ясно, что свет от каких-то далеких галактик дойти до нас просто не сумеет. Большинство современных моделей такой возможности не предусматривают. Есть, правда, версия грядущего Большого разрыва (Big Rip), но она не очень популярна в научных кругах. Зато есть другой вариант – расширение с ускорением.
Недавнее открытие того факта, что Вселенная сейчас расширяется с ускорением, буквально взбудоражило космологов. Причин такого необычного поведения нашего мира может быть две: либо основным «наполнителем» нашей Вселенной является не обычное вещество, а неведомая материя с необычными свойствами (так называемая темная энергия), либо (еще страшнее подумать!) нужно изменять уравнения общей теории относительности. Да еще почему-то человечеству довелось жить в тот краткий по космологическим масштабам период, когда замедленное расширение только-только сменилось ускоренным. Все эти вопросы еще очень далеки от своего разрешения, но уже сегодня можно обсудить то, как ускоренное расширение (если оно будет продолжаться вечно) изменит нашу Вселенную и создаст горизонт событий . Оказывается, что жизнь далеких галактик, начиная с того момента, как они наберут достаточно большую скорость убегания, для нас остановится и их будущее станет нам неизвестно – свет от целого ряда событий просто никогда до нас не дойдет. Со временем, в достаточно далеком будущем, все галактики, не входящие в наше локальное сверхскопление размером 100 мегапарсек, скроются за горизонтом событий.
Прошлое и будущее
«Над проблемами горизонта я задумался еще в аспирантуре, причем даже не по собственной инициативе, - рассказывает профессор Вольфганг Риндлер, который до сих пор преподает физику в Техасском университете в Далласе. - Тогда была в большой моде теория Вселенной, известная как космология стабильного состояния - Steady State Cosmology. Мой научный руководитель ввязался в ожесточенный спор с авторами этой теории и предложил мне разобраться в существе разногласий. Я не стал отказываться от предложенной задачи, и в результате появилась моя работа о космологических горизонтах.
По словам профессора Риндлера, существует очень понятная интерпретация обоих горизонтов нашего мира: «Горизонт событий образован световым фронтом, который в пределе сойдется на нашей Галактике, когда возраст Вселенной возрастет до бесконечности. Напротив, горизонт частиц соответствует световому фронту, испущенному в момент Большого взрыва. Фигурально выражаясь, горизонт событий очерчивается самым последним из световых фронтов, достигающих нашей Галактики, а горизонт частиц - самым первым. Из такого определения становится понятным, что
горизонт частиц задает максимальное расстояние, с которого в нашу нынешнюю эпоху можно наблюдать произошедшее в прошлом. Горизонт событий, напротив, фиксирует максимальную дистанцию, откуда можно получить информацию о бесконечно отдаленном будущем.
Это действительно два разных горизонта, которые необходимы для полного описания эволюции мироздания».
Вселенная… Слово-то какое страшное. Масштабы того, что обозначается эти словом, не поддаются никакому осмыслению. Для нас проехать 1000 км - это уже расстояние, а что они значат в сравнении с гигантской цифрой, которая обозначает минимально возможный, с точки зрения учёных, диаметр нашей Вселенной.
Эта цифра не просто колоссальна - она ирреальна. 93 миллиарда световых лет! В километрах это выражается следующим числом 879 847 933 950 014 400 000 000.
Что такое Вселенная?
Что же такое Вселенная? Как объять разумом сие необъятное, ведь это же, как писал Козьма Прутков, никому не дано. Давайте обопрёмся на всем нам знакомые, простые вещи, способные путём аналогий привести нас к искомому постижению.
Из чего состоит наша Вселенная?
Чтобы разобраться в этом вопросе, пойдите прямо сейчас на кухню и возьмите поролоновую губку, которую вы используете для мытья посуды. Взяли? Так вот, вы держите в руках модель Вселенной. Если вы через лупу рассмотрите структуру губки поближе, то увидите, что она представляет собой множество открытых пор, ограниченных даже не стенками, а скорее перемычками.
Нечто подобное представляет собой и Вселенная, но только в качестве материала для перемычек используется не поролон, а… … Не планет, не звёздных систем, а галактик! Каждая из этих галактик состоит из сотен миллиардов звёзд, вращающихся вокруг центрального ядра, и каждая может иметь размер до сотен тысяч световых лет. Расстояние между галактиками обычно составляет около миллиона световых лет.
Расширение Вселенной
Вселенная не просто большая, она ещё вдобавок постоянно расширяется. Этот установленный с помощью наблюдения красного смещения факт, лёг в основу теории Большого взрыва.
Согласно данным НАСА возраст Вселенной с момента Большого взрыва, положившего ей начало, составляет приблизительно 13,7 миллиардов лет.
Что означает слово «Вселенная»?
Слово «Вселенная» имеет старославянские корни и, фактически, является калькой с греческого слово ойкумента (οἰκουμένη) , происходящего от глагола οἰκέω «населяю, обитаю» . Изначально этим словом обозначалась вся обитаемая часть мира. В церковном языке и по сей день сохраняется подобное значение: например, Константинопольский Патриарх в своём титуле имеет слово «Вселенский».
Термин происходит от слова «вселение» и только лишь созвучен слову «всё».
Что находится в центре Вселенной?
Вопрос о центре Вселенной - крайне запутанная штука и однозначно ещё не решён. Проблема в том, что непонятно, есть он вообще или его нет. Логично предположить, что, раз был Большой взрыв, из эпицентра которого и начали разлетаться бесчисленные галактики, значит, проследив траекторию каждой из них, можно на пересечении этих траекторий найти центр Вселенной. Но дело в том, что все галактики удаляются друг от друга приблизительно с равной скоростью и из каждой точки Вселенной наблюдается практически одна и та же картина.
Натеоретизировано здесь столько, что любой академик свихнётся. Даже привлекалось не раз четвёртое измерение, будь оно неладно, но особой чёткости в вопросе нет и по сей день.
Если же нет внятного определения центра Вселенной, то говорить о том, что находится в этом самом центре, мы считаем пустым занятием.
Что находится за пределами Вселенной?
О, это вопрос очень интересный, но такой же неопределённый, как и предыдущий. Вообще неизвестно, есть ли у Вселенной пределы. Возможно, их нет. Возможно, они есть. Возможно, кроме нашей Вселенной есть и другие с иными свойствами материи, с отличными от наших законами природы и мировыми константами. Никто не может доказательно дать ответ на подобный вопрос.
Проблема заключается в том, что мы имеем возможность наблюдать Вселенную лишь на расстоянии в 13,3 миллиарда световых лет. Почему? Очень просто: мы же помним, что возраст Вселенной составляет 13,7 миллиардов лет. Учитывая, что наше наблюдение происходит с задержкой, равной времени, потраченному светом на прохождение соответствующего расстояния, мы не можем наблюдать Вселенную ранее того момента как она, собственно, появилась на свет. На этом расстоянии мы видим Вселенную ясельного возраста…
Что ещё мы знаем о Вселенной?
Очень много и ничего! Мы знаем о реликтовом свечении, о космических струнах, о квазарах, чёрных дырах и о многом и многом другом. Некоторая часть этих знаний может быть обоснована и доказана; кое-что является лишь теоретическими выкладками, которые не могут быть подтверждены доказательно, а что-то - лишь плод богатой фантазии псевдоучёных.
Но одно мы знаем наверняка: никогда не настанет момент, в который мы сможем, облегчённо вытерев пот со лба, сказать: «Фу-у-х! Вопрос, наконец-то полностью изучен. Здесь больше ловить нечего!»
Что находится за пределами Вселенной? Этот вопрос слишком сложный для человеческого понимания. Это связано с тем, что в самую первую очередь необходимо определить ее границы, а это далеко не просто.
Общепринятый ответ учитывает только наблюдаемую Вселенную. Согласно ему размеры определяются скоростью света, потому что возможно видеть только свет, который излучают или отражают объекты в космосе. Невозможно заглянуть дальше, чем наиболее отдаленный свет, который путешествует все время существования Вселенной.
Пространство продолжает увеличиваться, но все еще конечно. Его размер иногда упоминается как объем или сфера Хаббла. Человек во Вселенной, вероятно, никогда не сможет узнать, что за пределами ее границ. Так что для всех исследований это единственное пространство, с которым когда-либо придется взаимодействовать. По крайней мере, в ближайшее время.
Величие
Всем известно, что Вселенная велика. На сколько миллионов световых лет она простирается?
Астрономы тщательно изучают космическое излучение микроволнового фона - послесвечения Большого взрыва. Они ищут связь между тем, что происходит на одной стороне неба, и тем, что на другой. И пока нет никаких доказательств, что там есть что-то общее. Это означает, что на протяжении 13,8 миллиардов лет в любом направлении Вселенная не повторяется. Столько нужно времени свету, чтобы он достиг хотя бы видимого края этого пространства.
Нас все еще волнует вопрос, что находится за пределом Вселенной, которую можно наблюдать. Астрономы допускают, что космос бесконечен. «Вещество» в нем (энергия, галактики и т. д.) распределено точно таким же образом, как и в наблюдаемой Вселенной. Если это действительно так, тогда появляются разные аномалии того, что находится на краю.
За пределами объема Хаббла расположено не просто больше разных планет. Там можно найти вообще все, что только может существовать. Если продвинуться достаточно далеко, можно даже найти другую солнечную систему с Землей, идентичной во всех отношениях, за исключением того, что у вас была на завтрак каша вместо яичницы. Или завтрак отсутствовал вовсе. Или, допустим, вы встали пораньше и ограбили банк.
На самом деле космологи считают, что, если пройти достаточно далеко, то можно найти еще одну сферу Хаббла, которая совершенно идентична нашей. Большинство ученых считают, что известная нам Вселенная имеет границы. Что за их пределом, остается величайшей загадкой.
Космологический принцип
Это понятие означает, что независимо от места и направления наблюдателя, каждый видит одну и ту же картину Вселенной. Разумеется, это не относится к исследованиям меньшего масштаба. Такая однородность пространства вызвана равноправием всех его точек. Обнаружить это явление можно лишь в масштабах скопления галактик.
Что-то, сродни этому понятию было впервые предложено сэром Исааком Ньютоном в 1687 году. И впоследствии, в 20 веке, это же было подтверждено наблюдениями других ученых. Логично, если все возникло из одной точки Большого взрыва, а затем расширилось до Вселенной, то будет оставаться довольно однородным.
Расстояние, на котором можно наблюдать за космологическим принципом, чтобы найти это очевидное равномерное распределение материи, занимает примерно 300 миллионов световых лет от Земли.
Однако все изменилось в 1973 году. Тогда была обнаружена аномалия, нарушающая космологический принцип.
Великий аттрактор
Огромная концентрация массы обнаружилась на расстоянии 250 миллионов световых лет, близ созвездий Гидры и Центавра. Ее вес настолько велик, что его можно было бы сравнить с десятком тысяч масс Млечных Путей. Эта аномалия считается галактическим сверхскоплением.
Этот объект получил название Великий аттрактор. Его гравитационная сила настолько сильна, что воздействует на другие галактики и их скопления в течение нескольких сотен световых лет. Он долгое время оставался одной из самых больших тайн космоса.
В 1990 г. было обнаружено, что движение колоссальных скоплений галактик, называющихся Великим аттрактором, стремится к другой области космоса - за край Вселенной. Пока что за этим процессом можно наблюдать, хотя сама аномалия находится в «зоне избегания».
Темная энергия
Согласно Закону Хаббла, все галактики должны двигаться равномерно друг от друга, сохраняя космологический принцип. Однако в 2008 г. появилось новое открытие.
Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) обнаружил большую группу кластеров, которые двигались в одном направлении со скоростью до 600 миль в секунду. Все они держали путь к небольшой области неба между созвездиями Центавра и Паруса.
Этому нет никакой очевидной причины, и, поскольку это было необъяснимое явление, его назвали «темной энергией». Она вызвана чем-то вне пределов наблюдаемой Вселенной. В настоящее время есть только догадки о ее природе.
Если скопления галактик тянутся к колоссальной черной дыре, то их движение должно ускоряться. Темная энергия указывает на постоянную скорость космических тел в миллиарды световых лет.
Одна из возможных причин этого процесса - массивные структуры, что находятся за пределами Вселенной. Они оказывают огромное гравитационное влияние. Внутри наблюдаемой Вселенной нет гигантских структур с достаточной гравитационной тяжестью, чтобы вызвать это явление. Но это не значит, что они не могли существовать за пределами наблюдаемой области.
Это означало бы, что устройство Вселенной не является однородным. Что касается самих структур, они могут быть буквально любыми, от агрегатов материи и до энергии в масштабах, которые едва можно представить. Возможно даже, что это направляющие гравитационные силы из других Вселенных.
Бесконечные пузыри
Говорить о чем-то за пределами сферы Хаббла не совсем верно, так как это по-прежнему имеет идентичное устройство Метагалактики. «Неизвестность» имеет те же физические законы Вселенной и константы. Есть версия, что Большой взрыв вызвал появление пузырей в структуре пространства.
Сразу после него, до момента начала инфляции Вселенной, возникла своего рода «космическая пена», существующая как скопление «пузырей». Один из объектов этого вещества внезапно расширился, со временем став Вселенной, известной сегодня.
Но что получилось из других пузырей? Александр Кашлинский - глава команды НАСА, организации, которая обнаружила «темную энергию», - заявил: «Если отдалиться на достаточно большое расстояние, то можно увидеть структуру, которая находится вне пузыря, за пределами Вселенной. Эти структуры должны вызвать движение».
Таким образом, «темная энергия» воспринимается как первое свидетельство существования другой Вселенной, или даже «Мультивселенной».
Каждый пузырь - это область, которая перестала растягиваться вместе с остальной частью пространства. Она сформировала свою собственную Вселенную со своими особыми законами.
В этом сценарии пространство бесконечно, и каждый пузырь также не имеет границ. Даже если можно нарушить рубеж одного из них, пространство между ними все еще расширяется. Со временем будет невозможно добраться до следующего пузыря. Такое явление до сих пор остается одной из величайших тайн космоса.
Черная дыра
Теория, предложенная физиком Ли Смолином, предполагает, что каждый подобный космический объект в устройстве Метагалактики вызывает образование нового. Стоит только представить сколько черных дыр во Вселенной. Внутри каждой действуют физические законы, отличные от тех, что были у предшественника. Подобная гипотеза была впервые изложена в 1992 году в книге «Жизнь Космоса».
Звезды во всем мире, которые попадают в черные дыры, сжимаются до невероятно экстремальной плотности. В таких условиях это пространство взрывается и расширяется до собственной новой Вселенной, отличной от оригинала. Точка, где время останавливается внутри черной дыры, - это начало Большого взрыва новой Метагалактики.
Экстремальные условия внутри разрушенной черной дыры приводят к небольшим случайным изменениям основных физических сил и параметров в дочерней Вселенной. У каждого из них есть отличные от родительской характеристики и показатели.
Существование звезд является предпосылкой для формирования жизни. Это связано с тем, что углерод и другие сложные молекулы, обеспечивающие жизнь, создаются именно в них. Поэтому для формирования существ и Вселенной нужны одни и те же условия.
Критика космического естественного отбора как научной гипотезы заключается в отсутствии прямых доказательств на данном этапе. Но следует иметь в виду, что с точки зрения убеждений он не хуже, чем предлагаемые научные альтернативы. Нет подтверждений того, что находится за пределами Вселенной, будь это Мультивселенная, теория струн или циклическое пространство.
Множество параллельных Вселенных
Эта идея кажется чем-то, что мало относится к современной теоретической физике. Но мысль о существовании Мультиверса уже давно считается научной возможностью, хотя все еще вызывает активные дискуссии и деструктивные споры среди физиков. Этот вариант полностью разрушает представление о том, сколько Вселенных в космосе.
Важно иметь в виду, что Мультиверс не теория, а скорее следствие современного понимания теоретической физики. Это отличие имеет решающее значение. Никто не махнул рукой и не сказал: «Пусть будет Мультивселенная!». Эта идея была получена из текущих учений, таких как квантовая механика и теория струн.
Мультиверс и квантовая физика
Многим известен мысленный эксперимент «Кот Шредингера». Его суть заключается в том, что Эрвин Шредингер, австрийский физик-теоретик, указывал на несовершенство квантовой механики.
Ученый предлагает представить животное, которое поместили в закрытую коробку. Если открыть ее, можно узнать одно из двух состояний кота. Но пока коробка закрыта, животное либо живое, либо мертвое. Это доказывает то, что не существует состояния, сочетающего жизнь и смерть.
Все это кажется невозможным просто потому, что человеческое восприятие не может этого осознать.
Но это вполне реально в соответствии со странными правилами квантовой механики. Пространство всех возможностей в ней огромно. Математически квантовомеханическое состояние представляет собой сумму (или суперпозицию) всех возможных состояний. В случае «Кота Шредингера», эксперимент представляет собой суперпозицию «мертвых» и «живых» положений.
Но как это интерпретировать, чтобы оно имело какой-либо практический смысл? Популярный способ состоит в том, чтобы думать обо всех этих возможностях так, что единственным «объективно истинным» состоянием кота является - наблюдаемый. Однако можно также согласиться с тем, что эти возможности верны и все они существуют в разных Вселенных.
Теория струн
Это самая перспективная возможность объединить квантовую механику и гравитацию. Это трудно, потому что сила тяготения так же неописуема в небольших масштабах, как и атомы и субатомные частицы в рамках квантовой механики.
Но теория струн, в которой говорится, что все фундаментальные частицы состоят из мономерных элементов, описывает сразу все известные силы природы. К ним относят гравитацию, электромагнетизм и ядерные силы.
Однако для математической теории струн требуется не менее десяти физических измерений. Мы можем наблюдать только четыре измерения: высоту, ширину, глубину и время. Поэтому дополнительные измерения от нас скрыты.
Чтобы иметь возможность использовать теорию для объяснения физических явлений, эти дополнительные исследования «уплотнены» и слишком малы в небольших масштабах.
Проблема или особенность теории струн заключается в том, что существует много способов произвести компактификацию. Каждая из них приводит к созданию Вселенной с различными физическими законами, такими как отличные массы электронов и константы силы тяжести. Однако есть также серьезные возражения против методологии компактификации. Поэтому проблема не совсем решена.
Но возникает очевидный вопрос: в какой из этих возможностей мы живем? Теория струн не обеспечивает механизм определения этого. Она делает ее бесполезной, поскольку не представляется возможным ее досконально протестировать. Но исследование края Вселенной превратило эту ошибку в особенность.
Последствия Большого взрыва
Во время самого раннего устройства Вселенной был период ускоренного расширения, называемый инфляцией. Первоначально она объясняла, почему сфера Хаббла почти однородна по температуре. Однако инфляция также предсказала спектр флуктуаций температуры вокруг этого равновесия, который позднее был подтвержден несколькими космическими аппаратами.
Хотя точные детали теории все еще горячо обсуждаются, инфляция широко принимается физиками. Однако следствие этой теории состоит в том, что должны быть другие объекты во Вселенной, которые все еще ускоряются. Из-за квантовых флуктуаций пространства-времени некоторые ее части никогда не достигнут конечного состояния. Это означает, что пространство будет вечно расширяться.
Этот механизм генерирует бесконечное количество Вселенных. Комбинируя этот сценарий с теорией струн, есть вероятность, что каждая из них обладает другой компактификацией дополнительных размеров и, следовательно, имеет разные физические законы Вселенной.
Согласно учению Мультиверс, предсказанному теорией струн и инфляцией, все Вселенные живут в одном и том же физическом пространстве и могут пересекаться. Они неизбежно должны сталкиваться, оставляя следы в космическом небе. Их характер имеет широкий спектр - от холодных или горячих точек на космическом микроволновом фоне до аномальных пустот в распределение галактик.
Поскольку столкновение с другими Вселенными должно происходить в определенном направлении, ожидается, что любые вмешательства нарушают однородность.
Некоторые ученые ищут их через аномалии в космическом микроволновом фоне, послесвечении Большого Взрыва. Другие в гравитационных волнах, которые рябят в пространстве-времени по мере прохождения массивных объектов. Эти волны могут непосредственно доказывать существование инфляции, которая в конечном итоге усиливает поддержку теории Мультивселенной.
Инструкция
«Открылась бездна, звезд полна; звездам числа нет, бездне – дна», - писал в одном из стихотворений гениальный российский ученый Михаил Васильевич Ломоносов. Это и есть поэтическое утверждение бесконечности Вселенной.
Возраст «бытия» обозримой Вселенной - около 13,7 миллиардов земных лет. Свет, который приходит от далеких галактик «с края мира», идет до Земли более 14 миллиардов лет. Получается, диаметральные размеры Вселенной можно вычислить, если примерно 13,7 умножить на два, то есть 27,4 миллиарда световых лет. Радиальный размер сферической модели - примерно 78 млрд световых лет, а диаметр – 156 млрд световых лет. Это - одна из последних версий американских ученых, результат многолетних астрономических наблюдений и расчетов.
В обозримой вселенной 170 миллиардов галактик, подобных нашей. Наша как бы находится в центре гигантского шара. От самых дальних космических объектов виден реликтовый свет – фантастически древний с точки зрения человечества. Если проникнуть очень глубоко в систему пространство-время, можно увидеть юность планеты Земля.
Существует конечный предел возраста наблюдаемых с Земли светящихся космических объектов. Вычислив предельный возраст, зная время, которое понадобилось свету для того, чтобы пройти расстояние от них до поверхности Земли, и зная константу, скорость света, по известной со школы формуле S=Vxt (путь = скорость, умноженная на время) ученые и определили вероятные размеры наблюдаемой Вселенной.
Представлять Вселенную в форме трехмерного шара – не единственный путь построения модели Вселенной. Есть гипотезы, предполагающие, что Вселенная имеет не три, а бесконечное число измерений. Есть версии, что она, подобно матрешке, состоит из бесконечного множества вложенных друг в друга и отстоящих друг от друга шарообразных образований.
Есть предположение, что Вселенной неисчерпаема по различным критериям и разным осям координат. Люди считали мельчайшей частицей материи «корпускулу», потом «молекулу», потом «атом», потом «протоны и электроны», потом заговорили об элементарных частицах, которые оказались совсем не элементарными, о квантах, нейтрино и кварках… И никто не даст гарантию, что внутри очередной супермикроминичастицы материи не находится очередная Вселенная. И наоборот – что видимая Вселенная не представляет собой только микрочастицу материи Супер-Мега-Вселенной, размеры которой никому не дано даже вообразить и подсчитать, настолько они велики.
