Века назад люди смотрели в ночное небо и представляли, что Земля окутана черным шаром. Они полагали, что звезды были просто точками света. Солнце, Луна и другие планеты вращались вокруг Земли по правильной, идеальной схеме. В их представлении Вселенная была маленькой, с центром на Земле и организованной в совершенные сферы.
Ученые, такие как Коперник и Галилей, обнаружили недостатки в этой философии. Потребовалось более столетия после открытий Галилея, чтобы мир признал, что Земля не является центром Вселенной. Со временем мы стали больше узнавать о Вселенной. Сегодня мы изучаем космос с помощью передовых телескопов, спутников и зондов.
Теперь у нас есть изображения галактик, удаленных от Земли на миллионы световых лет. Ученые регулярно изучают далекие звезды. Они даже обнаружили планеты в солнечных системах далеко за пределами нашей.
А как насчет общей картины? Что мы знаем о Вселенной в целом? Он расширяется? Это бесконечно? Если оно не бесконечно, то что находится за границей пространства? А как именно выглядит космос?
Эти вопросы подпадают под категориюкосмологии, изучения Вселенной. Люди испробовали много разных подходов к изучению Вселенной. Некоторые сосредоточились на математике. Другие предпочитали использовать физику. И многие занялись философским подходом.
Среди космологов нет единого мнения о том, как выглядит космос, но существует множество теорий. Часть проблемы описания пространства заключается в том, что его очень трудно визуализировать. Мы привыкли думать о местах в двух измерениях. Например, вы можете определить свое местоположение на карте, используя долготу и широту. Но пространство имеет четыре измерения. Вы не только должны добавить глубину к размерам длины и ширины, вы также должны добавитьвремяНа самом деле, многие космологи называют эту совокупность измеренийпространство-время.
Какие основные теории могут помочь нам выяснить форму пространства? Читайте дальше, чтобы узнать.
До Большого Взрыва?
Что было до большого взрыва? Невозможно сказать. Ученые предполагают, что как только вы сожмете материю Вселенной в сингулярность (точку с нулевым объемом, но бесконечной плотностью), научные законы больше не будут применяться. Поскольку законы физики спорны, невозможно узнать, что было до Большого взрыва. Наука не может ответить на этот вопрос.
Большой взрыв, гравитация и общая теория относительности
Три теории, которые играют важную роль в понимании формы Вселенной, - этобольшой взрыв,теория гравитациииОбщая теория относительности ЭйнштейнаКосмологи учитывают все эти теории при формировании гипотез о форме пространства. Но что именно пытаются объяснить эти теории?
Теория большого взрыва - это попытка описать начало Вселенной. Путем наблюдения и анализа астрономы определили, что Вселенная расширяется. Они также обнаружили и изучили свет, возникший миллиарды лет назад, когда Вселенная была еще очень молода. Они предположили, что когда-то вся материя и энергия во Вселенной содержались в невероятно крошечной точке. Затем Вселенная внезапно расширилась. Материя и энергия выбрасывались наружу на миллионы световых лет каждую долю секунды. Они стали строительными блоками вселенной, какой мы ее знаем.
Теория гравитации утверждает, что каждая частица материи притягивается ко всем другим частицам материи. В частности, частицы будут притягиваться друг к другу с силой, пропорциональной их массам и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними. Уравнение выглядит так:
F=GMm/r2.
F - сила гравитационного притяжения. M и m представляют массы двух рассматриваемых объектов. r2- это расстояние между двумя объектами в квадрате. Так что такое Г? Этогравитационная постояннаяОна представляет постоянную пропорциональность между любыми двумя объектами, независимо от их массы. Гравитационная постоянная равна 6,672 x 10-11Н·м2кг-2 Это очень маленькое число., и это объясняет, почему объекты не всегда прилипают друг к другу. Объекты большой массы должны иметь что-то большее, чем незначительное гравитационное воздействие на другие объекты.
Если теория большого взрыва верна, то когда Вселенная зародилась, должен был произойти огромный выброс энергии, чтобы так быстро толкнуть материю. Он должен был преодолеть гравитационное притяжение всей материи во Вселенной. Сейчас космологи пытаются определить, сколько материи на самом деле находится во Вселенной. При достаточном количестве материи гравитационное притяжение постепенно замедляется, а затем обращает расширение Вселенной вспять. В конце концов, Вселенная может сжаться в другую сингулярность. Это называетсябольшой сжатие Но если материи недостаточно, гравитационное притяжение не будет достаточно сильным, чтобы остановить расширение Вселенной, и она будет расти бесконечно.
А как насчет теории относительности? Помимо объяснения взаимосвязи между энергией и материей, это также приводит к выводу, что пространствоискривленоОбъекты в космосе движутся по эллиптическим орбитам не из-за гравитации, а потому, что само пространство искривлено и, следовательно, прямая линия на самом деле является петлей. В геометрии прямая линия на изогнутой поверхности являетсягеодезической
Три теории, описанные выше, составляют основу различных теорий о том, какой на самом деле является форма пространства. Но единого мнения о том, какая форма является правильной, нет.
Каковы теоретические формы пространства и почему мы не знаем, какая из них правильная? Узнайте в следующем разделе.
Сингулярность
Общая теория относительности предполагает, что незадолго до Большого взрыва точка с нулевым объемом и бесконечной плотностью содержала всю материю Вселенной. Это явление называетсясингулярностью Материя, попадающая в черную дыру, также входит в сингулярность, поскольку ее объем уменьшается до нуля, а плотность увеличивается до бесконечности.
Формы пространства
Три основные модели Вселенной основаны на кривизне:нулевая кривизна,положительная кривизнаиотрицательная кривизна.
Нулевая кривизна означает, что вселенная являетсяплоскойилиевклидовой вселенной (евклидова геометрия имеет дело с неизогнутыми поверхностями). Представьте себе пространство как двухмерную структуру - евклидова вселенная выглядела бы как плоская плоскость. Параллельные линии возможны только на плоской плоскости. В плоской Вселенной материи как раз достаточно, чтобы Вселенная расширялась бесконечно, не возвращаясь к коллапсу, хотя скорость расширения со временем уменьшается.
Если Вселенная имеет положительную кривизну, то этозамкнутая Вселенная Двумерная модель такой Вселенной будет выглядеть как сфера. Невозможно иметь параллельные геодезические (прямые линии на изогнутой поверхности) - две линии в какой-то точке пересекутся. В замкнутой Вселенной достаточно материи, чтобы обратить расширение вспять. В конце концов, такая вселенная рухнет сама на себя. Замкнутая вселенная - это конечная вселенная - она будет расширяться только до определенного размера, прежде чем схлопнется.
Отрицательную кривизну визуализировать немного сложнее. Самое распространенное описание - седло. В модели с отрицательной кривизной две линии, которые были бы параллельны на плоской плоскости, отходят друг от друга. Космологи называют модели Вселенной с отрицательной кривизнойоткрытыми вселенными В этих вселенных недостаточно материи, чтобы обратить вспять или замедлить расширение, поэтому Вселенная продолжает расширяться бесконечно.
Означает ли это, что пространство имеет форму плоской плоскости, сферы или седла? Не обязательно. Помните, что пространство-время измеряется в четырех измерениях, что снижает полезность двумерных примеров. И существует множество конкурирующих теорий о том, какова на самом деле окончательная форма Вселенной.
Одной из возможных форм являетсятройной торНа первый взгляд, тройной тор кажется обычным кубом. Но каждая грань кубаприклеена к грани на противоположной стороне. Представьте, что вы находитесь в космическом корабле, который летит внутри большого куба. Вы направляетесь к вершине куба. Вы бы не разбились о землю после того, как вступили в контакт. Вместо этого вы появляетесь в соответствующем месте у основания куба. Другими словами, вы прошли через верх и вернулись через низ. Если вы путешествовали достаточно далеко в любом направлении, вы в конечном итоге возвращались туда, откуда начали. Это не такая уж чуждая концепция, поскольку на Земле, если вы путешествуете по прямой линии, вы в конечном итоге вернетесь в исходную точку. Вы просто очень устанете.
Еще одна форма - этододекаэдрическая сферическая форма Пуанкаре Додекаэдр - это 12-гранный объект. Вариант Пуанкаре имеет поверхности, слегка изогнутые наружу. Что озадачивает, так это то, что предполагаемый размер этой вселенной меньше, чем площадь, которую мы можем наблюдать на самом деле. Другими словами, наша видимость превышает границы Вселенной. Нет проблем, говорят космологи. Когда вы смотрите на далекую галактику, которая, казалось бы, находится за пределами космоса, вы на самом деле испытываете описанный выше эффект обертывания. Рассматриваемая галактика действительно будет позади вас, но вы смотрите через одну грань додекаэдра, как если бы это было окно. Если бы вы могли видеть достаточно далеко, вы бы смотрели себе в затылок.
У вас еще не закружилась голова? Есть много других теоретических форм, которые могла бы принять Вселенная, но большинство из них не соответствуют имеющимся у нас доказательствам. Что это за доказательства и как их собрать? Узнайте в следующем разделе.
Уголок Викторины
Думаете, вы знаете все, что нужно знать о Вселенной? Проверьте свои знания с помощью нашей викторины «Дыра во Вселенной».
Как измерить пространство
Оптические телескопы позволяют нам исследовать объекты в видимом спектре света, но являются относительно слабыми инструментами. Это потому, что свет от далеких галактик может перехватывать облака частиц и другие тела, прежде чем достичь Земли. Другие устройства могут измерять длины волн, выходящие далеко за пределы видимого спектра. Многие из недавних исследований в области космологии сосредоточены накосмическом микроволновом фоне(CMB). Реликтовое излучение - это излучение, которое произвела Вселенная, когда ей было всего 380 000 лет. Изучая это излучение, космологи могут сделать выводы о том, какой была Вселенная вскоре после ее возникновения.
Используямикроволновый зонд анизотропии Уилкинсона(WMAP), ученые сделали интересное открытие о реликтовом излучении. Они обнаружили, что изменение длин волн реликтового излучения останавливается в определенной точке. В бесконечной, неограниченной Вселенной не было бы предела размеру длины волны. Мы ожидаем увидеть вариации и частоты для всех размеров. Только в конечной вселенной или очень специализированной бесконечной вселенной мы ожидаем увидеть окончательный предел длин волн.
Что касается расширения, космологи называют соотношение количества материи во Вселенной и количества, необходимого для прекращения расширения,параметром плотности Параметр плотности больше 1 будет означать замкнутая вселенная - во Вселенной больше массы, которая потребуется для обратного расширения. Параметр плотности, равный 1, означал бы плоскую Вселенную, в которой расширение замедляется, но никогда не останавливается. А параметр плотности от 0 до 1 будет означать открытую вселенную, которая будет продолжать расширяться вечно.
Но мы не знаем, сколько на самом деле материи во Вселенной. Количество, которое мы можем обнаружить, относительно невелико - 5 процентов вещества, необходимого для обратного расширения. Но, похоже, есть материя, которую мы вообще не можем видеть. Космологи заметили, что звезды движутся странным образом - они ведут себя так, как будто материи, оказывающей на них гравитационное влияние, больше, чем мы можем обнаружить. Некоторые космологи предполагают, что это означает, что существует материя, которую мы вообще не можем видеть, называемаятемная материя.
Но достаточно ли темной материи, чтобы вызвать большой хруст? То есть достаточно ли материи во Вселенной, чтобы восполнить баланс и довести соотношение до 1 или выше? Хотя космологи считают, что темной материи во Вселенной гораздо больше, чем наблюдаемой материи, по их оценкам, комбинация видимой и темной материи по-прежнему составляет лишь около 30 процентов от количества, необходимого для обратного расширения..
Хотя сейчас мы не знаем окончательную форму космоса, исследования продолжают приносить нам новую информацию каждый день. И если у пространства есть границы, то что лежит за ними? Мы не знаем и, возможно, не способны знать.
Хотите узнать больше о космосе и связанных с ним темах? Установите курс по ссылкам на следующей странице.
Музыка для моих ушей
В флажолетах защипнутая струна производит звук с длиной волны, вдвое превышающей длину струны. Вы не можете воспроизвести звук с большей длиной волны. В космических терминах отсутствие более длинных волн излучения заставляет некоторых космологов полагать, что Вселенная имеет конечную границу.