ВСЕЛЕННАЯ
ВСЕЛЕННАЯ
Философский энциклопедический словарь . 2010 .
В. бесконечно разнообразна по формам существования и движения материи. Материя не возникает и не уничтожается, а только переходит из одной формы в другую. Поэтому совершенно произвольной и идеалистич. является теория о постоянном творении материи из "ничего" (F. Hoyle, A new model for the expanding universe, в журн. "Monthly Notices of the Royal Astron. Soc", L., 1948, v. 108; H. Bondi, Cosmology, 1952).
Бесконечное разнообразие материальных форм в бесконечной В. приводит к выводу о том, что органич. , как одна из форм существования материи, не является достоянием только нашей планеты, а возникает повсюду, где складываются соответствующие .
Таковы осн. свойства В., имеющие не только физич., но и большое . значение. В своих наиболее общих выводах наука о строении В. теснейшим образом связана с философией. Отсюда и ожесточенная идеологич. , ведущаяся по вопросам структуры и развития В.
Отрицание бесконечности В. в пространстве и времени со стороны ряда ученых вызывается не только влиянием идеалистич. духовной атмосферы, в к-рой они находятся, но и безуспешными попытками построить непротиворечивую бесконечной В., опирающуюся на всю совокупность известных нам наблюдательных данных. Признание в той или иной форме конечности В. есть по существу отказ от решения важнейшей научной проблемы, переход с позиций науки на позиции религии. В этому диалектич. материализма, доказывая В. в пространстве и времени, стимулирует дальнейшее развитие науки, указывая принципиальные пути для развития теории.
Вопрос о конечности или бесконечности В. – это не только естествознания. Само по себе накопление эмпирич. материала и его математич. обработка только в рамках той или иной отд. науки еще не могут дать исчерпывающего и логически неуязвимого ответа на поставленный вопрос. Наиболее адекватным средством для решения поставленной задачи является филос. , опирающийся на достижения всего естествознания и прочную основу диалектико-материалистич. метода. На первый план здесь выдвигается диалектич. разработка понятия бесконечности, трудности оперирования к-рым ощущает не только , но и др. науки.
Т.о., общих свойств В., ее пространств.-временных характеристик вызывает большие трудности. Но все тысячелетнее развитие науки убеждает в том, что этой проблемы может быть только на путях признания бесконечности В. в пространстве и времени. В общем плане такое решение дано диалектическим материализмом. Однако создание рационального, непротиворечивого представления о В. в целом с учетом всех наблюдаемых процессов – дело будущего.
Лит.: Энгельс Ф., Диалектика природы, М., 1955 его же, Анти-Дюринг, М., 1957; Ленин В. И., Материализм и , Соч., 4 изд., т. 14; Блажко С. Н., Курс общей астрономии, М., 1947; Πолак И. Ф., Курс общей астрономии, 7 изд., М., 1955; Паренаго П. П., Курс звездной астрономии, 3 изд., М., 1954; Эйгенсон М. С, Большая Вселенная, М.–Л., 1936; Фесенков В. Г., Современные представления о Вселенной, М.–Л., 1949; Агекян Т. Α., Звездная Вселенная, М., 1955; Lyttlеton R. Α., The modern universe, L., ; Hоуle F., Frontiers of astronomy, Melb., ; Thomas O., Astronomie. Tatsachen und Probleme, 7 Aufl., Salzburg–Stuttgart, .
А. Бовин. Москва.
Философская Энциклопедия. В 5-х т. - М.: Советская энциклопедия . Под редакцией Ф. В. Константинова . 1960-1970 .
ВСЕЛЕННАЯ
ВСЕЛЕННАЯ (от греч. “ойкумена” - населенная, обитаемая земля) -“все существующее”, “всеобъемлющее мировое целое”, “тотальность всех вещей”; смысл этих терминов многозначен и определяется концептуальным контекстом. Можно выделить по крайней мере три уровня понятия “Вселенная”.
1. Вселенная как философская имеет смысл, близкий понятию “универсум”, или “мир”: “материальный мир”, “сотворенное бытие” и др. Она играет важную роль в европейской философии. Образы Вселенной в философских онтологиях включались в философские основания научных исследований Вселенной.
2. Вселенная в физической космологии, или Вселенная как целое, - объект космологических экстраполяции. В традиционном смысле - всеобъемлющая, неограниченная и принципиально единственная физическая система (“Вселенная издана в одном экземпляре” - А. Пуанкаре); мир, рассматриваемый с физико-астрономической точки зрения (А.Л.Зельманов). Разные теории и модели Вселенной рассматриваются с этой точки зрения как неэквивалентные друг другу одного и того же оригинала. Такое Вселенной как целого обосновывалось по-разному: 1) ссылкой на “презумпцию экстраполируемости”: космология претендует именно на репрезентацию в системе знания своими концептуальными средствами всеобъемлющего мирового целого, и, пока не доказано обратное, эти претензии должны приниматься в полном объеме; 2) логически-Вселенная определяется как всеобъемлющее мировое целое, и других Вселенных не может существовать по определению и т.д. Классическая, Ньютонова космология создала Вселенной, бесконечной в пространстве и времени, причем бесконечность считалась атрибутивным свойством Вселенной. Общепринято, что бесконечная гомогенная Вселенная Ньютона “разрушила” античный . Однако научные и философские образы Вселенной продолжают сосуществовать в культуре, взаимообогащая друг друга. Ньютоновская Вселенная разрушила образ античного космоса лишь в том смысле, что отделяла человека от Вселенной и даже противопоставляла их.
В неклассической, релятивистской космологии была впервые построена теория Вселенной. Ее свойства оказались совершенно отличными от ньютоновских. Согласно теории расширяющейся Вселенной, развитой Фридманом, Вселенная как целое может быть и конечной, и бесконечной в пространстве, а во времени она во всяком случае конечна, т. е. имела начало. А. А. Фридман считал, что мир, или Вселенная как объект космологии, “бесконечно уже и меньше мира-вселенной философа”. Напротив, подавляющее большинство космологов на основе принципа единообразия отождествляло модели расширяющейся Вселенной с нашей Метагалактикой. Начальный расширения Метагалактики рассматривался как “начало всего”, с креационистской точки зрения - как “сотворение мира”. Некоторые космологи-релятивисты, считая единообразия недостаточно обоснованным упрощением, рассматривали Вселенную как всеобъемлющую физическую систему большего масштаба, чем Метагалактика, а Метагалактику-лишь как ограниченную часть Вселенной.
Релятивистская космология коренным образом изменила образ Вселенной в научной картине мира. В мировоззренческом плане она вернулась к образу античного космоса в том смысле, что снова связала человека и (эволюционирующую) Вселенную. Дальнейшим шагом в этом направлении явился в космологии. Современный подход к интерпретации Вселенной как целого основывается, во-первых, на разграничении философской идеи мира и Вселенной как объекта космологии; во-вторых, это понятие релятивизируется, т. е. его объем соотносится с определенной ступенью познания, космологической теорией или моделью - в чисто лингвистическом (безотносительно к их объектному статусу) или же в объектном смысле. Вселенная интерпретировалась, напр., как “наибольшее событий, к которому могут быть применены наши физические законы, экстраполированные тем или иным образом” или “могли бы считаться физически связанными с нами” (Г. Бонди).
Развитием этого подхода явилась концепция, согласно которой Вселенная в космологии-это “все существующее”. не в каком-то абсолютном смысле, а лишь с точки зрения данной космологической теории, т. е. физическая система наибольшего масштаба и порядка, которой вытекает из определенной системы физического знания. Это относительная и преходящая познанного мегамира, определяемая возможностями экстраполяции системы физического знания. Под Вселенной как целым не во всех случаях подразумевается один и тот же “оригинал”. Напротив, разные теории могут иметь в качестве своего объекта неодинаковые оригиналы, т. е. физические системы разного порядка и масштаба структурной иерархии. Но все претензии на репрезентацию всеобъемлющего мирового целого в абсолютном смысле остаются бездоказательными. При интерпретации Вселенной в космологии следует проводить между потенциально и актуально существующим. То, что сегодня считается несуществующим, завтра может вступить в сферу научного исследования, окажется существующим (с точки зрения физики) и будет включено в наше понимание Вселенной.
Так, если теория расширяющейся Вселенной описывала по сути нашу Метагалактику, то наиболее популярная в современной космологии теория инфляционной (“раздувающейся”) Вселенной вводит понятие о множестве “других вселенных” (или, в терминах эмпирического языка, внеметагалактических объектов) с качественно различными свойствами. Инфляционная теория признает, т. о., мегаскопическое нарушение принципа единообразия Вселенной и вводит дополнительный ему по смыслу принцип бесконечного многообразия Вселенной. Тотальность этих вселенных И. С. Шкловский предложил назвать “Метавселенной”. Инфляционная космология в специфической форме возрождает, т. о., идею бесконечности Вселенной (Метавселенной) как ее бесконечного многообразия. Объекты, подобные Метагалактике, в инфляционной космологии часто называют “минивселенными”. Минивселенные возникают путем спонтанных флуктуации физического вакуума. Из этой точки зрения вытекает, что начальный момент расширения нашей Вселенной, Метагалактики не обязательно должен считаться абсолютным началом всего. Это лишь начальный момент эволюции и самоорганизации одной из космических систем. В некоторых вариантах квантовой космологии понятие Вселенной тесно увязывается с существованием наблюдателя (“принцип соучастия”). “Порождая на некотором ограниченном этапе своего существования наблюдателейучастников, не приобретает
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.
На заре космологии – науки, изучающей Вселенную, – было принято считать, что ученые часто ошибаются в мелочах, но никогда не сомневаются глобально. В наше время ошибки в расчетах удалось свести к минимуму, а вот сомнения разрослись до размеров изучаемого объекта. Десятилетиями космологи строили новые телескопы, придумывали хитроумные детекторы, задействовали суперкомпьютеры и в результате с уверенностью могут утверждать, что Вселенная зародилась 13820 миллионов лет назад из крошечного пузырька в пространстве, по размеру сравнимого с атомом. Впервые ученые с точностью до десятой доли процента создали карту космического микроволнового фона – реликтового излучения, возникшего через 380 тысяч лет после Большого взрыва.
До сих пор неизвестно, что такое темная материя. Темная энергия – еще б?льшая загадка.Космологи также пришли к выводу, что видимые нам звезды и галактики составляют всего 5% от состава наблюдаемой Вселенной. Большая часть приходится на невидимые темную материю (27%) и темную энергию (68%). По предположению ученых, темная материя формирует структуру Вселенной, связывая воедино разбросанные по разным ее уголкам сгустки материи, хотя до сих пор неизвестно, что такое эта самая темная материя. Темная энергия – еще б?льшая загадка, этим термином принято обозначать неведомую силу, ответственную за постоянно ускоряющееся расширение Вселенной. Первым намеком на существование всепроникающей темной материи стали исследования швейцарского астронома Фрица Цвикки. В 1930-е годы в обсерватории Маунт-Вилсон на юге Калифорнии Цвикки измерял скорости галактик в скоплении Волосы Вероники, вращающихся относительно центра скопления. Он пришел к выводу, что галактики должны были давно разлететься в космическом пространстве, если бы их не удерживала какая-то невидимая человеческому глазу материя. Скопление Волосы Вероники существует как единое целое уже миллиарды лет, из чего Цвикки заключил, что неведомая «темная материя заполняет Вселенную с плотностью, в разы превосходящей ее видимого собрата». Дальнейшие исследования показали, что гравитационное поле темной материи сыграло решающую роль в образовании галактик на первых этапах существования Вселенной – именно сила притяжения собрала воедино облака «строительного материала», жизненно необходимого для рождения первых звезд. Темная материя – не просто замаскировавшаяся обыкновенная барионная (состоящая из протонов и нейтронов) материя: в космическом пространстве ее попросту слишком мало. Безусловно, есть множество небесных тел, ничего не излучающих: черные дыры, тусклые карликовые звезды, холодные скопления газа и планеты-сироты, по какой-то причине вытолкнутые за пределы родных звездных систем. Однако их суммарная масса никак не может более чем пятикратно превышать массу обычной видимой материи. Это дает ученым основание полагать, что темная материя состоит из каких-то более экзотических частиц, пока не наблюдавшихся в экспериментах. Ученые, занимающиеся построением суперсимметричной квантовой теории, предположили существование различных частиц, которые вполне могут подходить на роль заветной темной материи. Подтверждение того, как слабо темная материя взаимодействует не только с барионной, но и с самой собой, космологи обнаружили в трех миллиардах световых лет от Земли в скоплении Пуля, на самом деле являющемся двумя сталкивающимися друг с другом галактическими скоплениями. Астрономы выявили массивные облака горячего газа в центре скопления, которые обычно образуются при столкновении облаков барионной материи. Для дальнейшего изучения исследователи создали карту гравитационного поля скопления Пуля и идентифицировали две области с высокой концентрацией массы поодаль от зоны столкновения – по одной в каждом из сталкивающихся галактических кластеров. Наблюдения показали: в отличие от барионной материи, бурно реагирующей в момент непосредственного контакта, их более тяжелые грузы из темной материи невозмутимо минуют место катастрофы в целости и сохранности, никак не взаимодействуя с царящим в округе хаосом. Конструируемые учеными детекторы для поиска темной материи невероятно изящны с инженерной точки зрения – тут они чем-то напоминают яйца Фаберже, от одного взгляда на которые даже у мастеров-ювелиров захватывает дух. Один из таких детекторов – магнитный альфа-спектрометр стоимостью два миллиарда долларов, установленный на Международной космической станции, ведет сбор данных о возможных столкновениях частиц темной материи друг с другом. Большинство же детекторов нацелены на поиск следов взаимодействия между частицами темной и барионной материи, и попытки зафиксировать их предпринимаются уже на Земле, а точнее, под землей: для минимизации помех, вносимых прилетающими из космического пространства высокоэнергетическими частицами космических лучей, размещать исследовательские комплексы приходится глубоко под земной поверхностью. Детекторы представляют собой массивы кристаллов, охлажденных до сверхнизких температур, другие выглядят как огромные емкости, заполненные жидким ксеноном или аргоном, окруженные датчиками и упакованные в многослойную «луковицу» – обертку из самых разных (от полиэтилена до свинца и меди) экранирующих материалов. Интересный факт: недавно выплавленный свинец обладает небольшой радиоактивностью, что недопустимо при строительстве высокочувствительных детекторов. В экспериментах используется переплавленный свинцовый балласт, который подняли с затонувших кораблей времен Римской империи. За два тысячелетия, которые металл пролежал на дне моря, его радиоактивность заметно снизилась. Вам кажется, что по поводу темной материи полно вопросов? Сущие пустяки по сравнению с нашими представлениями о загадочной темной энергии! Лауреат Нобелевской премии по физике 1979 года Стивен Вайнберг считает ее «центральной проблемой современной физики». Астрофизик Майкл Тёрнер ввел в обиход термин «темная энергия», после того как две группы астрономов в 1998 году объявили об открытии ускоряющегося расширения Вселенной. Они пришли к такому выводу в процессе изучения сверхновых звезд типа Ia, обладающих одинаковой максимальной светимостью, благодаря чему их можно использовать для измерения расстояний до удаленных галактик. Гравитационное взаимодействие между галактиками в их скоплениях должно ограничивать расширение Вселенной, и астрономы ожидали увидеть замедление скорости изменения расстояний между звездными кластерами. Представьте их удивление, когда они выяснили, что все как раз наоборот: Вселенная расширяется, и скорость расширения со временем возрастает. А начался этот процесс, как предполагают ученые, пять-шесть миллиардов лет назад. В последние годы астрономы заняты тщательным картированием Вселенной с беспрецедентно высокой точностью. Это поможет получить больше информации о точном моменте возникновения темной энергии и определить, остается ли она постоянной или изменяется со временем. Но возможности телескопов и цифровых детекторов небезграничны, а значит, чтобы вывести более точную космологическую теорию, необходимо разработать и построить новые инструменты – принцип остается неизменным с момента зарождения астрономии. Для построения такой карты запущено несколько проектов вроде «Спектроскопического обзора барионных осцилляций» (BOSS, Baryon Oscillation Spectroscopic Survey), в рамках которого при помощи 2,5-метрового телескопа в американской обсерватории Апачи-Пойнт ведется измерение расстояний в космосе со сверхвысокой (до процента) точностью. Проект «Обзор темной энергии» (DES, Dark Energy Survey) занимается сбором и изучением информации о 300 миллионах (!) галактик, наблюдения ведутся на 4-метровом телескопе имени Виктора Бланко, расположенном в чилийских Андах. Европейское космическое агентство ESA на 2020 год планирует запуск орбитального телескопа «Евклид», который позволит заглянуть в прошлое и понять, как менялась динамика расширения Вселенной на протяжении нескольких миллиардов лет. А с запуском Большого обзорного телескопа (LSST, Large Synoptic Survey Telescope), строящегося в нескольких километрах от телескопа Бланко, у космологов появятся огромные массивы уникальных данных. Относительно небольшой (диаметр зеркала – 8,4 метра), но достаточно быстрый при съемке, LSST будет оснащен сверхсовременной цифровой камерой в 3,2 гигапикселя, позволяющей разом охватить изрядную часть неба. С помощью такого арсенала технически сложных инструментов ученые надеются измерить скорость расширения Вселенной, выяснить, изменилась ли она с момента возникновения темной энергии, и понять, каково место последней в устройстве мироздания. Это позволит сделать выводы ни много, ни мало о том, что ждет Вселенную в будущем и о том, как нам продолжить ее изучение. Если она будет расширяться со все возрастающей скоростью, всецело находясь во власти темной энергии, большинство галактик окажутся отброшенными из поля зрения друг друга, не оставив астрономам будущего ни одного объекта для наблюдения, кроме ближайших соседей и зияющей космической бездны. Для того чтобы понять природу темной энергии , нам придется переосмыслить фундаментальные представления о самом пространстве. Долгое время космические просторы между звездами и планетами считались абсолютно пустыми, хотя еще Исаак Ньютон говорил, что ему чрезвычайно сложно представить, как гравитация может удерживать Землю, вращающуюся по орбите вокруг Солнца, если между ними нет ничего, кроме вакуума. В XX веке квантовая теория поля показала, что на самом деле пространство не является пустым, а, напротив, повсюду пронизано квантовыми полями. Основные «строительные кирпичики», из которых состоит материя – протоны, электроны и другие частицы, – по сути, являются лишь возмущениями квантовых полей. Когда энергия поля находится на минимальном уровне, пространство выглядит пустым. Но если поле возмущено, все вокруг оживает, заполняясь видимой материей и энергией. Математик Лучано Бой сравнивает пространство с поверхностью воды в альпийском пруду: она становится заметной, когда налетает легкий бриз, покрывая пруд дрожащей рябью. «Пустое пространство на самом деле не пусто, – сказал американский физик Джон Арчибальд Уиллер, – в нем таится настоящая физика, полная сюрпризов и неожиданностей». Темная энергия вполне может подтвердить глубокую пророческую силу слов Уиллера. Стремясь понять механизмы, ответственные за непрекращающееся «раздувание» Вселенной – которое, как оказалось, еще и продолжает ускоряться, – ученые полагаются на эйнштейновскую общую теорию относительности, появившуюся сотню лет назад. Она отлично работает на объектах большого масштаба, но спотыкается на микроуровне, где балом правит квантовая теория и где таится разгадка постоянно ускоряющегося расширения космического пространства. Для объяснения темной энергии может понадобиться нечто принципиально новое – что-то вроде квантовой теории пространства и гравитации. Современная наука бьется над, казалось бы, простой задачей: сколько энергии – темной или какой-либо другой – содержится в заданной ограниченной области пространства? Если в расчетах положиться на квантовую теорию, получается невообразимо большое значение. А если привлечь к проблеме астрономов, их оценка, основанная на наблюдениях за темной энергией, окажется несоизмеримо мала. Разница между двумя числами ошеломляет: 10 в 121-й степени! Это единица со 121 нулем – больше, чем количество звезд в наблюдаемой Вселенной и всех песчинок на нашей планете. Это самый существенный перекос в истории науки, вызванный несогласованностью теории и фактических наблюдений. Очевидно, мы упускаем какое-то фундаментально важное свойство пространства, а значит, и всего, что нас окружает и является его частью, – галактик, звезд, планет и нас самих. Ученым только предстоит выяснить, насколько велик пробел в наших знаниях.
Шкала расстояний Вселенной
Поскольку Вселенная расширяется, на вопрос о расстояниях до очень далеких галактик трудно ответить. Все зависит от вашей точки зрения.
Туманность Омега
Туманность Орел
Скопление Антлия
Вот в чём заключается проблема определения расстояний в расширяющейся Вселенной: две галактики находятся рядом друг с другом, когда возраст Вселенной - всего 1 миллиард лет. Первая галактика излучает световой импульс. Вторая галактика не воспринимает данный импульс до тех пор, пока Вселенной не исполнится 14 миллиардов лет.
К этому моменту данные галактики разделяет порядка 26 миллиардов световых лет; световой импульс находится в пути в течение 13 миллиардов лет; и картинка, которую получают люди во второй галактике - это образ первой галактики на момент, когда её возраст составлял всего лишь один миллиард лет и когда она находилась на удалении всего 2 миллиарда световых лет.
В космологии общепринятыми являются четыре различные шкалы расстояний:
(1) Фотометрическое расстояние - DL
В расширяющейся Вселенной удалённые галактики намного более трудноразличимы, чем можно было ожидать, поскольку фотоны света растягиваются и развёртываются на обширную зону. Вот почему для того, чтобы разглядеть очень удалённые галактики, требуются огромные телескопы. Наиболее удалённые галактики, видимые через космический телескоп "Хаббл", настолько слабо различимы, что создаётся впечатление, как будто они находятся на удалении порядка 350 миллиардов световых лет, хотя они и находятся намного ближе.
Фотометрическая шкала не отображает реального расстояния, но она применяется для определения того, насколько тусклыми видятся нам очень удалённые галактики.
(2) Расстояние углового диаметра - DA
В расширяющейся Вселенной мы видим галактики у границы видимой Вселенной в тот момент, когда они были очень молодыми, порядка 14 миллиардов лет назад, поскольку свету, чтобы добраться до нас, потребовалось около 14 миллиардов лет.
Однако галактики в то время не только были молодыми, но и располагались намного ближе к нам.
Наиболее слабо различимые галактики, видимые посредством космического телескопа "Хаббл", в момент излучения света находились от нас на удалении всего несколько миллиардов световых лет.
Это означает, что очень удалённые галактики выглядят гораздо более крупными, чем можно было ожидать, как будто они находятся от нас на расстоянии порядка 2 либо 3 миллиардов световых лет (Хотя они тоже выглядят очень-очень тусклыми - см. "Фотометрическое расстояние").
Расстояние углового диаметра - хороший индикатор (особенно в такой плоской галактике, как наша) того, насколько близко к нам находилась определённая галактика, когда излучала свет, который мы видим в данный момент.
(3) Сопутствующее расстояние - DC
Шкала сопутствующего расстояния расширяется вместе со Вселенной. Она даёт нам представление о том, где в настоящее время находятся галактики, несмотря на то, что наблюдаем мы удалённую галактику в том виде, какой она имела, когда была намного младше и меньше. По данной шкале самый дальний край видимой Вселенной в настоящее время находится от нас на удалении 47 миллиардов световых лет, хотя наиболее удалённые галактики, видимые через космический телескоп "Хаббл", находились бы от нас на расстоянии порядка 32 миллиардов световых лет.
Сопутствующее расстояние противоположно расстоянию углового диаметра.
Это расстояние показывает, где галактики находятся в данный момент, а не где они находились, когда излучали свет, который мы видим сейчас.
(4) Аберрационное расстояние - DT
Аберрационное расстояние означает промежуток времени, за который нас достигает свет от удалённых галактик. Именно это и имеется в виду, когда говорят, что видимая Вселенная имеет радиус 14 миллиардов световых лет.
Смысл данного утверждения: возраст Вселенной составляет порядка 14 миллиардов лет, свету же от более удалённых галактик не хватило времени добраться до нас.
Аберрационное расстояние - это в равной степени мера времени и мера расстояния. Основная польза от этой шкалы - она даёт нам представление о возрасте того образа данной галактики, который мы видим в настоящее время.
Для малых расстояний (порядка 2 миллиардов световых лет и меньше) все четыре шкалы расстояний совмещаются и повторяют одна другую, так что определять расстояния до галактик в окружающей нас локальной Вселенной гораздо проще.
Ниже приведены все четыре шкалы расстояний, наложенные на красное смещение. Красное смещение - это мера растягивания света, вызванного расширением Вселенной: галактика с высоким уровнем красного смещения расположена дальше, чем галактика с малым уровнем красного смещения. Наиболее удалённые галактики, видимые через космический телескоп "Хаббл", имеют величину красного смещения 10, в то время как наиболее удалённые протогалактики во Вселенной, вероятно имеют величину красного смещения порядка 15. Граница видимой Вселенной имеет красное смещение на уровне бесконечности. Для сравнения: типичный переносной телескоп не позволяет рассмотреть объекты с красным смещением, значительно превышающим 0.1 (около 1,3 миллиарда световых лет).
Фотометрическое расстояние (DL ) демонстрирует, почему так сложно рассмотреть удалённые галактики: очень молодая и далёкая галактика с уровнем красного смещения 15 кажется удалённой от нас на 560 миллиардов световых лет, хотя расстояние углового диаметра (DA ) показывает, что на момент излучения этой галактикой света, который мы видим сейчас, ей фактически было порядка 2,2 миллиардов световых лет. Аберрационное расстояние (DT ) показывает, что свет от данной галактики путешествовал 13,6 миллиардов лет с момента его излучения до настоящего момента. Сопутствующее расстояние (DC ) показывает, что та же самая галактика сегодня, если бы мы могли видеть её, находилась бы от нас на удалении 35 миллиардов световых лет.
