У дома > Развод > Какво се случи преди Големия взрив? Инфлация и Големият взрив: не експлозия, а разширяване Какви открития доказват теорията за големия взрив.


Какво се случи преди Големия взрив? Инфлация и Големият взрив: не експлозия, а разширяване Какви открития доказват теорията за големия взрив.




Дори съвременните учени не могат да кажат със сигурност какво е имало във Вселената преди Големия взрив. Има няколко хипотези, които повдигат завесата на тайната над един от най-сложните проблеми на Вселената.

Произход на материалния свят

До 20 век имаше само двама привърженици на религиозната гледна точка, които вярваха, че светът е създаден от Бог. Учените, напротив, отказаха да признаят изкуствената природа на Вселената. Физиците и астрономите бяха привърженици на идеята, че космосът винаги е съществувал, светът е бил статичен и всичко ще остане същото, както преди милиарди години.

Ускореният научен прогрес в началото на века обаче доведе до факта, че изследователите имаха възможност да изучават извънземни пространства. Някои от тях бяха първите, които се опитаха да отговорят на въпроса какво е имало във Вселената преди Големия взрив.

Изследване на Хъбъл

20-ти век унищожи много теории от минали епохи. В освободеното пространство се появиха нови хипотези, които обясняваха неразбираеми досега мистерии. Всичко започна с факта, че учените установиха факта на разширяването на Вселената. Това е направено от Едуин Хъбъл. Той откри, че далечните галактики се различават по своята светлина от онези космически купове, които са по-близо до Земята. Откриването на този модел формира основата на закона за разширението на Едуин Хъбъл.

Големият взрив и произходът на Вселената бяха изследвани, когато стана ясно, че всички галактики „избягат“ от наблюдателя, независимо къде се намира той. Как би могло да се обясни това? Тъй като галактиките се движат, това означава, че те се тласкат напред от някакъв вид енергия. Освен това физиците са изчислили, че някога всички светове са били разположени в една точка. Поради някакъв тласък те започнаха да се движат във всички посоки с невъобразима скорост.

Това явление е наречено „Големият взрив“. И произходът на Вселената беше обяснен именно с помощта на теорията за това древно събитие. Кога се случи това? Физиците определиха скоростта на движение на галактиките и изведоха формула, която използваха за изчисляване кога е настъпил първоначалният „тласък“. Никой не може да даде точни числа, но приблизително това явление се е случило преди около 15 милиарда години.

Появата на теорията за Големия взрив

Фактът, че всички галактики са източници на светлина, означава, че Големият взрив е освободил огромно количество енергия. Тя беше тази, която роди самата яркост, която световете губят, когато се отдалечават от епицентъра на случилото се. Теорията за Големия взрив е доказана за първи път от американските астрономи Робърт Уилсън и Арно Пензиас. Те откриха електромагнитно космическо микровълново фоново лъчение, чиято температура беше три градуса по скалата на Келвин (т.е. -270 по Целзий). Това откритие подкрепя идеята, че Вселената първоначално е била изключително гореща.

Теорията за Големия взрив отговори на много въпроси, формулирани през 19 век. Сега обаче се появиха нови. Например какво е имало във Вселената преди Големия взрив? Защо е толкова хомогенно, докато при такова огромно освобождаване на енергия веществото трябва да се разпръсне неравномерно във всички посоки? Откритията на Уилсън и Арно поставят под съмнение класическата евклидова геометрия, тъй като е доказано, че пространството има нулева кривина.

Инфлационна теория

Новите поставени въпроси показаха, че съвременната теория за произхода на света е фрагментарна и непълна. Дълго време обаче изглеждаше, че ще бъде невъзможно да се премине отвъд това, което беше открито през 60-те години. И само съвсем скорошни изследвания на учени направиха възможно формулирането на нов важен принцип за теоретичната физика. Това беше феноменът на свръхбързото инфлационно разширяване на Вселената. Той е изследван и описан с помощта на квантовата теория на полето и общата теория на относителността на Айнщайн.

И така, какво е имало във Вселената преди Големия взрив? Съвременната наука нарича този период „инфлация“. В началото имаше само поле, което изпълваше цялото въображаемо пространство. Може да се сравни със снежна топка, хвърлена по склона на заснежена планина. Бучката ще се търкаля надолу и ще се увеличава по размер. По същия начин полето, поради случайни колебания, промени структурата си за невъобразимо време.

Когато се образува хомогенна конфигурация, възниква реакция. Той съдържа най-големите мистерии на Вселената. Какво се случи преди Големия взрив? Инфлационно поле, което изобщо не приличаше на сегашната материя. След реакцията започва растежът на Вселената. Ако продължим аналогията със снежна топка, тогава след първата се търкаляха други снежни топки, които също се увеличаваха по размер. Моментът на Големия взрив в тази система може да се сравни с втория, когато огромен блок падна в бездната и накрая се сблъска със земята. В този момент се освободи колосално количество енергия. Все още не може да се изчерпи. Именно поради продължаването на реакцията от експлозията нашата Вселена расте днес.

Материя и поле

Сега Вселената се състои от невъобразим брой звезди и други космически тела. Този агрегат от материя излъчва огромна енергия, което противоречи на физическия закон за запазване на енергията. Какво пише? Същността на този принцип се свежда до факта, че за безкраен период от време количеството енергия в системата остава непроменено. Но как може това да се впише в нашата Вселена, която продължава да се разширява?

Инфлационната теория успя да отговори на този въпрос. Изключително рядко се случва подобни мистерии на Вселената да бъдат разгадани. Какво се случи преди Големия взрив? Инфлационно поле. След възникването на света познатата ни материя зае своето място. Но освен него във Вселената има и нещо, което има отрицателна енергия. Свойствата на тези две същности са противоположни. Това компенсира енергията, идваща от частици, звезди, планети и друга материя. Тази връзка също обяснява защо Вселената все още не се е превърнала в черна дупка.

Когато Големият взрив се случи за първи път, светът беше твърде малък, за да може нещо да се срине. Сега, когато Вселената се разшири, в определени части от нея се появиха локални черни дупки. Тяхното гравитационно поле поглъща всичко около тях. Дори светлината не може да излезе от него. Ето защо тези дупки стават черни.

Разширяване на Вселената

Дори въпреки теоретичната обосновка на инфлационната теория, все още не е ясно как е изглеждала Вселената преди Големия взрив. Човешкото въображение не може да си представи тази картина. Факт е, че инфлационното поле е неосезаемо. Не може да се обясни с обичайните закони на физиката.

Когато настъпи Големият взрив, инфлационното поле започна да се разширява със скорост, която надвишава скоростта на светлината. Според физическите показатели във Вселената няма нищо материално, което да се движи по-бързо от този показател. Светлината се разпространява в съществуващия свят в невероятни количества. Инфлационното поле се разпространи с още по-голяма скорост, именно поради нематериалния си характер.

Текущо състояние на Вселената

Настоящият период от еволюцията на Вселената е идеално подходящ за съществуване на живот. За учените е трудно да определят колко дълго ще продължи този период от време. Но ако някой предприеме подобни изчисления, получените цифри са не по-малко от стотици милиарди години. За един човешки живот такъв сегмент е толкова голям, че дори в математическото смятане трябва да се запише със степени. Настоящето е проучено много по-добре от праисторията на Вселената. Случилото се преди Големия взрив във всеки случай ще остане само обект на теоретични изследвания и смели изчисления.

В материалния свят дори времето остава относителна ценност. Например квазарите (вид астрономически обект), съществуващи на разстояние 14 милиарда светлинни години от Земята, са с 14 милиарда светлинни години зад нашето обичайно „сега“. Тази времева разлика е огромна. Трудно е да се дефинира дори математически, да не говорим за факта, че е просто невъзможно ясно да си представим такова нещо с помощта на човешкото въображение (дори и най-пламенното).

Съвременната наука може теоретично да обясни целия живот на нашия материален свят, като се започне от първите части от секундите от неговото съществуване, когато току-що се случи Големият взрив. Пълната история на Вселената все още се актуализира. Астрономите откриват удивителни нови факти с помощта на модернизирано и подобрено изследователско оборудване (телескопи, лаборатории и др.).

Има обаче и феномени, които все още не са разбрани. Такова бяло петно ​​например е неговата тъмна енергия. Същността на тази скрита маса продължава да вълнува съзнанието на най-образованите и напреднали физици на нашето време. Освен това не се е появила единна гледна точка относно причините, поради които във Вселената все още има повече частици, отколкото античастици. По този въпрос са формулирани няколко фундаментални теории. Някои от тези модели са най-популярни, но никой от тях все още не е приет от международната научна общност като

В мащаба на универсалното познание и колосалните открития на 20 век тези пропуски изглеждат съвсем незначителни. Но историята на науката показва със завидна редовност, че обяснението на такива „малки“ факти и явления става основа за цялостното разбиране на човечеството за дисциплината като цяло (в случая говорим за астрономия). Следователно бъдещите поколения учени със сигурност ще имат какво да правят и какво да открият в областта на познанието за природата на Вселената.

Дори астрономите не винаги разбират правилно разширяването на Вселената. Надуването на балон е стара, но добра аналогия за разширяването на Вселената. Галактиките, разположени на повърхността на топката, са неподвижни, но с разширяването на Вселената разстоянието между тях се увеличава, но размерът на самите галактики не се увеличава.

През юли 1965 г. учените обявиха откриването на ясни признаци за разширяване на Вселената от по-горещо и по-плътно първоначално състояние. Те откриха охлаждащото послесияние от Големия взрив - реликтово излъчване. От този момент нататък разширяването и охлаждането на Вселената формират основата на космологията. Космологичното разширяване ни позволява да разберем как са се формирали прости структури и как те постепенно са се развили в сложни. 75 години след откриването на разширяването на Вселената много учени не могат да проникнат в истинското му значение. Джеймс Пийбълс, космолог от Принстънския университет, който изучава космическото микровълново фоново лъчение, пише през 1993 г.: „Струва ми се, че дори експертите не знаят какво е значението и възможностите на горещия модел на Големия взрив.“

Известни физици, автори на учебници по астрономия и популяризатори на науката понякога дават неправилна или изкривена интерпретация на разширяването на Вселената, което е в основата на модела за Големия взрив. Какво имаме предвид, когато казваме, че Вселената се разширява? Определено е смущаващо, че сега се говори за ускоряване на разширяването, и това ни оставя в недоумение.

РЕВЮ: КОСМИЧЕСКО НЕДОРАЗУМЕНИЕ

* Разширяването на Вселената, една от основните концепции на съвременната наука, все още получава различни интерпретации.

* Терминът "Големият взрив" не трябва да се приема буквално. Той не беше бомба, избухнала в центъра на Вселената. Това беше експлозия на самото пространство, която се случи навсякъде, точно както повърхността на надут балон се разширява.

* Разбирането на разликата между разширяването на пространството и разширяването в космоса е от решаващо значение за разбирането на размера на Вселената, скоростта, с която галактиките се отдалечават, както и възможностите на астрономическите наблюдения и естеството на ускорението на разширяването, което Вселената е вероятно преживяване.

* Моделът на Големия взрив описва само какво се е случило след него.

Какво е разширение?

Когато нещо познато се разшири, като мокро петно ​​или Римската империя, те стават по-големи, границите им се разширяват и започват да заемат повече място. Но Вселената изглежда няма физически граници и няма къде да се движи. Разширяването на нашата Вселена е много подобно на надуване на балон. Разстоянията до далечни галактики се увеличават. Обикновено астрономите казват, че галактиките се отдалечават или бягат от нас, но не се движат през пространството, като фрагменти от „бомбата от Големия взрив“. В действителност пространството между нас и галактиките, движещи се хаотично в практически неподвижни клъстери, се разширява. CMB изпълва Вселената и служи като референтна рамка, подобно на гумената повърхност на балон, спрямо която може да се измерва движението.

Извън топката виждаме, че разширяването на нейната извита двуизмерна повърхност е възможно само защото е в триизмерно пространство. В третото измерение се намира центърът на топката, а повърхността й се разширява в обема около нея. Въз основа на това може да се заключи, че разширяването на нашия триизмерен свят изисква наличието на четвърто измерение в пространството. Но според общата теория на относителността на Айнщайн пространството е динамично: то може да се разширява, свива и огъва.

Задръстване

Вселената е самодостатъчна. Нито се изисква център за разширяване от него, нито свободно пространство отвън (където и да е), за да се разширява там. Вярно е, че някои по-нови теории, като теорията на струните, постулират наличието на допълнителни измерения, но те не са необходими, тъй като нашата триизмерна Вселена се разширява.

В нашата Вселена, както на повърхността на балон, всеки обект се отдалечава от всички останали. По този начин Големият взрив не е експлозия в космоса, а по-скоро експлозия на самото пространство, която не се е случила на конкретно място и след това се е разширила в заобикалящата празнота. Това се случи навсякъде по едно и също време.

КАК БЕШЕ ГОЛЕМИЯТ ВЗРИВ?

ГРЕШНО: Вселената е родена, когато материята, подобно на бомба, избухна на определено място. Налягането беше високо в центъра и ниско в заобикалящата кухина, което накара веществото да се разпръсне.

ДЯСНО: Това беше експлозия на самото пространство, което задвижи материята. Нашето пространство и време възникват в Големия взрив и започват да се разширяват. Никъде нямаше център, защото... условията бяха еднакви навсякъде, нямаше спад на налягането, характерен за конвенционален взрив.

Ако си представим, че пускаме филма в обратен ред, ще видим как всички региони на Вселената се компресират и галактиките се приближават една до друга, докато всички се сблъскат заедно в Големия взрив, като коли в задръстване. Но сравнението тук не е пълно. Ако е имало инцидент, можете да заобиколите задръстването, след като сте чули съобщения за него по радиото. Но Големият взрив беше катастрофа, която не можеше да бъде избегната. Сякаш повърхността на Земята и всички пътища по нея бяха смачкани, но колите останаха със същия размер. В крайна сметка колите щяха да се сблъскат и никакво радиосъобщение не можеше да го предотврати. Такъв е и Големият взрив: случи се навсякъде, за разлика от експлозията на бомба, която се случва в определен момент и фрагментите летят във всички посоки.

Теорията за Големия взрив не ни казва размера на Вселената или дори дали е крайна или безкрайна. Теорията на относителността описва как се разширява всяка област от пространството, но не казва нищо за размера или формата. Космолозите понякога твърдят, че Вселената някога е била не по-голяма от грейпфрут, но те имат предвид само тази част от нея, която сега можем да наблюдаваме.

Обитателите на мъглявината Андромеда или други галактики имат свои собствени наблюдаеми вселени. Наблюдателите в Андромеда могат да видят галактики, които са недостъпни за нас, просто защото са малко по-близо до тях; но те не могат да съзерцават тези, които ние разглеждаме. Тяхната видима вселена също беше с размерите на грейпфрут. Човек може да си представи, че ранната Вселена е била като купчина от тези плодове, простираща се безкрайно във всички посоки. Това означава, че идеята, че Големият взрив е бил „малък“, е погрешна. Пространството на Вселената е неограничено. И както и да го стискаш, така ще си остане.

По-бързо от светлината

Погрешните схващания могат да бъдат свързани и с количествено описание на разширяването. Скоростта, с която се увеличават разстоянията между галактиките, следва прост модел, открит от американския астроном Едуин Хъбъл през 1929 г.: скоростта, с която една галактика се отдалечава, v, е право пропорционална на нейното разстояние d от нас, или v = Hd. Коефициентът на пропорционалност H се нарича константа на Хъбъл и определя скоростта на разширяване на пространството както около нас, така и около всеки наблюдател във Вселената.

Това, което е объркващо за някои е, че не всички галактики се подчиняват на закона на Хъбъл. Най-близката голяма галактика до нас (Андромеда) обикновено се движи към нас, а не встрани от нас. Такива изключения възникват, защото законът на Хъбъл описва само средното поведение на галактиките. Но всяка от тях може също така да има леко собствено движение, тъй като галактиките упражняват гравитационно влияние една върху друга, като нашата Галактика и Андромеда. Далечните галактики също имат малки хаотични скорости, но на голямо разстояние от нас (при голяма стойност на d) тези произволни скорости са незначителни на фона на големите скорости на отдалечаване (v). Следователно за далечни галактики законът на Хъбъл е изпълнен с висока точност.

Според закона на Хъбъл Вселената не се разширява с постоянна скорост. Някои галактики се отдалечават от нас със скорост 1 хил. km/s, други, разположени два пъти по-далеч, със скорост 2 хил. km/s и т.н. Така законът на Хъбъл показва, че започвайки от определено разстояние, наречено разстояние на Хъбъл, галактиките се отдалечават със свръхсветлинни скорости. За измерената стойност на константата на Хъбъл това разстояние е около 14 милиарда светлинни години.

Но не казва ли специалната теория на относителността на Айнщайн, че никой обект не може да пътува по-бързо от скоростта на светлината? Този въпрос е озадачавал много поколения студенти. И отговорът е, че специалната теория на относителността е приложима само за "нормални" скорости - за движение в пространството. Законът на Хъбъл се отнася до скоростта на рецесия, причинена от разширяването на самото пространство, а не от движението в пространството. Този ефект на общата теория на относителността не е предмет на специалната теория на относителността. Наличието на скорост на отдалечаване, по-висока от скоростта на светлината, по никакъв начин не нарушава специалната теория на относителността. Все още е вярно, че никой не може да настигне лъча светлина.

МОГАТ ЛИ ГАЛАКТИКИТЕ ДА СЕ ПРЕМЕСТВАТ СЪС СКОРОСТ, ПО-БЪРЗА ОТ СКОРОСТТА НА СВЕТЛИНАТА?

ГРЕШНО: Частичната теория на относителността на Айнщайн забранява това. Помислете за област от пространството, съдържаща няколко галактики. Поради разширяването си, галактиките се отдалечават от нас. Колкото по-далеч е галактиката, толкова по-голяма е нейната скорост (червени стрелки). Ако скоростта на светлината е границата, тогава скоростта на отстраняване трябва в крайна сметка да стане постоянна.

ДЯСНО: Разбира се, че могат. Частичната теория на относителността не взема предвид скоростта на отстраняване. Скоростта на отстраняване нараства безкрайно с разстоянието. Отвъд определено разстояние, наречено разстояние на Хъбъл, то надвишава скоростта на светлината. Това не е нарушение на теорията на относителността, тъй като премахването не е причинено от движение в пространството, а от разширяването на самото пространство.

ВЪЗМОЖНО ЛИ Е ДА ВИДИМ ГАЛАКТИКИ ДА ВЪРВЯТ ПО-БЪРЗО ОТ СВЕТЛИНАТА?

ГРЕШНО: Разбира се, че не. Светлината от такива галактики отлита с тях. Нека галактиката е извън разстоянието на Хъбъл (сфера), т.е. се отдалечава от нас по-бързо от скоростта на светлината. Излъчва фотон (маркиран в жълто). Докато фотонът лети през пространството, самото пространство се разширява. Разстоянието до Земята се увеличава по-бързо от движението на фотона. Никога няма да ни стигне.

ДЯСНО: Разбира се, че можете, тъй като скоростта на разширяване се променя с времето. Първо, фотонът всъщност се отнася от разширяването. Разстоянието на Хъбъл обаче не е постоянно: то се увеличава и в крайна сметка фотонът може да влезе в сферата на Хъбъл. След като това се случи, фотонът ще се движи по-бързо, отколкото Земята се отдалечава, и ще може да ни достигне.

Фотонно разтягане

Първите наблюдения, показващи, че Вселената се разширява, са направени между 1910 и 1930 г. В лабораторията атомите излъчват и поглъщат светлина, винаги при определени дължини на вълната. Същото се наблюдава и в спектрите на далечни галактики, но с изместване към по-дълги вълни. Астрономите казват, че радиацията на галактиката е с червено изместване. Обяснението е просто: когато пространството се разширява, светлинната вълна се разтяга и следователно отслабва. Ако за времето, когато светлинната вълна достигне до нас, Вселената се разшири два пъти, тогава дължината на вълната се удвои, а енергията й отслабна наполовина.

ХИПОТЕЗА ЗА УМОРАТА

Всеки път, когато Scientific American публикува статия за космологията, много читатели ни пишат, че смятат, че галактиките всъщност не се отдалечават от нас и че разширяването на космоса е илюзия. Те вярват, че червеното отместване в спектрите на галактиките е причинено от нещо като "умора" от дълго пътуване. Някакъв неизвестен процес кара светлината, докато пътува през пространството, да губи енергия и следователно да става червена.

Тази хипотеза е на повече от половин век и на пръв поглед изглежда разумна. Но това е напълно несъвместимо с наблюденията. Например, когато една звезда избухне като свръхнова, тя пламва и след това потъмнява. Целият процес отнема около две седмици за свръхнови от типа, който астрономите използват за определяне на разстоянията до галактиките. През този период от време свръхновата излъчва поток от фотони. Хипотезата за светлинна умора казва, че фотоните ще загубят енергия по пътя си, но наблюдателят все пак ще получи поток от фотони с продължителност две седмици.

Въпреки това, при разширяване на пространството не само самите фотони се разтягат (и следователно губят енергия), но и техният поток също се разтяга. Следователно са необходими повече от две седмици, докато всички фотони достигнат Земята. Наблюденията потвърждават този ефект. Експлозия на свръхнова в галактика с червено отместване 0,5 се наблюдава три седмици, а в галактика с червено отместване 1 - месец.

Хипотезата за светлинната умора също противоречи на наблюденията на спектъра на космическото микровълново фоново лъчение и измерванията на яркостта на повърхността на далечни галактики. Време е да пенсионираме „уморената светлина“ (Чарлз Лайнуивър и Тамара Дейвис).

Суперновите, като тази в галактическия клъстер Дева, помагат за измерване на космическото разширение. Техните наблюдавани свойства изключват алтернативни космологични теории, в които пространството не се разширява.

Процесът може да бъде описан по отношение на температурата. Фотоните, излъчвани от тялото, имат енергийно разпределение, което обикновено се характеризира с температура, която показва колко горещо е тялото. Докато фотоните се движат през разширяващото се пространство, те губят енергия и температурата им намалява. По този начин, докато Вселената се разширява, тя се охлажда, подобно на сгъстен въздух, излизащ от резервоара на водолаз. Например, космическото микровълново фоново лъчение сега има температура от около 3 K, докато се е родило при температура от около 3000 K. Но оттогава насам Вселената се е увеличила по размер 1000 пъти и температурата на фотоните е намаля със същата сума. Наблюдавайки газ в далечни галактики, астрономите директно измерват температурата на това лъчение в далечното минало. Измерванията потвърждават, че Вселената се охлажда с времето.

Има и някои противоречия по отношение на връзката между червеното отместване и скоростта. Червеното отместване, причинено от разширяването, често се бърка с по-познатото червено отместване, причинено от ефекта на Доплер, което обикновено прави звуковите вълни по-дълги, ако източникът на звук се отдалечи. Същото важи и за светлинните вълни, които стават по-дълги, когато източникът на светлина се отдалечава в пространството.

Доплеровото червено отместване и космологичното червено отместване са напълно различни неща и се описват с различни формули. Първото следва от специалната теория на относителността, която не отчита разширяването на пространството, а второто следва от общата теория на относителността. Тези две формули са почти еднакви за близките галактики, но различни за далечните.

Според формулата на Доплер, ако скоростта на обект в космоса се доближава до скоростта на светлината, тогава неговото червено отместване клони към безкрайност и дължината на вълната става твърде дълга и следователно ненаблюдаема. Ако това беше вярно за галактиките, тогава най-отдалечените видими обекти в небето щяха да се отдалечават със скорост, значително по-малка от скоростта на светлината. Но космологичната формула за червеното отместване води до различно заключение. В стандартния космологичен модел галактиките с червено отместване около 1,5 (т.е. предполагаемата дължина на вълната на тяхното излъчване е 50% по-голяма от лабораторната стойност) се отдалечават със скоростта на светлината. Астрономите вече са открили около 1000 галактики с червено отместване по-голямо от 1,5. Това означава, че познаваме около 1000 обекта, които се отдалечават по-бързо от скоростта на светлината. CMB идва от още по-голямо разстояние и има червено отместване от около 1000. Когато горещата плазма на младата Вселена излъчи радиацията, която получаваме днес, тя се отдалечаваше от нас почти 50 пъти по-бързо от скоростта на светлината.

Бягане на място

Трудно е да се повярва, че можем да видим галактики, движещи се по-бързо от скоростта на светлината, но това е възможно поради промените в скоростта на разширяване. Представете си лъч светлина, идващ към нас от разстояние, по-голямо от разстоянието на Хъбъл (14 милиарда светлинни години). Той се движи към нас със скоростта на светлината спрямо местоположението си, но самият той се отдалечава от нас по-бързо от скоростта на светлината. Въпреки че светлината се втурва към нас възможно най-бързо, тя не може да се справи с разширяването на пространството. Това е като дете, което се опитва да тича назад по ескалатор. Фотоните на разстоянието на Хъбъл пътуват възможно най-бързо, за да останат на едно и също място.

Може би си мислите, че светлината от региони, по-далечни от разстоянието на Хъбъл, никога не би могла да достигне до нас и никога няма да я видим. Но разстоянието на Хъбъл не остава постоянно, тъй като константата на Хъбъл, от която зависи, се променя с времето. Тази стойност е пропорционална на скоростта, с която две галактики се отдалечават, разделена на разстоянието между тях. (Всички две галактики могат да се използват за изчислението.) В модели на Вселената, които са в съответствие с астрономическите наблюдения, знаменателят нараства по-бързо от числителя, така че константата на Хъбъл намалява. Следователно разстоянието на Хъбъл се увеличава. Ако е така, светлината, която първоначално не е достигнала до нас, в крайна сметка може да дойде в рамките на разстоянието на Хъбъл. Тогава фотоните ще попаднат в област, отдалечаваща се по-бавно от скоростта на светлината, след което ще могат да достигнат до нас.

КОСМИЧЕСКОТО ЧЕРВЕНО ИЗМЕСТВАНЕ НАИСТИНА ЛИ Е ДОПЛЕРОВО ИЗМЕСТВАНЕ?

ГРЕШНО: Да, защото отдалечаващите се галактики се движат през космоса. При ефекта на Доплер светлинните вълни се разтягат (стават по-червени), докато източникът им се отдалечава от наблюдателя. Дължината на вълната на светлината не се променя, докато пътува през пространството. Наблюдателят получава светлината, измерва нейното червено отместване и изчислява скоростта на галактиката.

ДЯСНО: Не, червеното отместване няма нищо общо с ефекта на Доплер. Галактиката е почти неподвижна в пространството, така че излъчва светлина с еднаква дължина на вълната във всички посоки. По време на пътуването дължината на вълната става по-дълга с разширяването на пространството. Поради това светлината постепенно става червена. Наблюдателят получава светлината, измерва нейното червено отместване и изчислява скоростта на галактиката. Космическото червено отместване е различно от Доплеровото изместване, както се потвърждава от наблюденията.

Въпреки това, галактиката, която е изпратила светлината, може да продължи да се отдалечава със свръхсветлинна скорост. Така можем да наблюдаваме светлина от галактики, които, както и преди, винаги ще се отдалечават по-бързо от скоростта на светлината. Накратко, разстоянието на Хъбъл не е фиксирано и не ни показва границите на наблюдаваната Вселена.

Какво всъщност маркира границата на видимото пространство? Тук също има известно объркване. Ако пространството не се беше разширило, тогава вече можехме да наблюдаваме най-отдалечения обект на разстояние около 14 милиарда светлинни години от нас, т.е. разстоянието, което светлината е изминала за 14 милиарда години след Големия взрив. Но тъй като Вселената се разширява, пространството, пресичано от фотона, се разширява по време на неговото пътуване. Следователно текущото разстояние до най-отдалечения наблюдаем обект е приблизително три пъти по-голямо - около 46 милиарда светлинни години.

Космолозите смятаха, че живеем в забавяща се Вселена и следователно можем да наблюдаваме все повече и повече галактики. Но в ускоряващата се Вселена ние сме оградени от граница, извън която никога няма да видим случващи се събития - това е космическият хоризонт на събитията. Ако светлината от галактики, които се отдалечават по-бързо от скоростта на светлината, достига до нас, тогава разстоянието на Хъбъл ще се увеличи. Но в ускоряващата се Вселена нарастването му е забранено. Далечно събитие може да изпрати лъч светлина в нашата посока, но тази светлина завинаги ще остане извън ограничението на разстоянието на Хъбъл поради ускоряването на разширяването.

Както виждаме, ускоряващата се Вселена прилича на черна дупка, която също има хоризонт на събитията, извън който не получаваме сигнали. Текущото разстояние до нашия хоризонт на космическите събития (16 милиарда светлинни години) е изцяло в рамките на нашия наблюдаем регион. Светлината, излъчвана от галактики, които сега са по-далеч от космическия хоризонт на събитията, никога няма да може да достигне до нас, т.к. разстоянието, което в момента съответства на 16 милиарда светлинни години, ще се разшири твърде бързо. Ще можем да видим събитията, случили се в галактиките, преди да прекосят хоризонта, но никога няма да разберем за последващи събития.

Всичко ли се разширява във Вселената?

Хората често си мислят, че ако пространството се разширява, тогава всичко в него също се разширява. Но това не е вярно. Разширяването като такова (т.е. по инерция, без ускорение или забавяне) не произвежда никаква сила. Дължината на вълната на фотона се увеличава с растежа на Вселената, тъй като, за разлика от атомите и планетите, фотоните не са свързани обекти, чиито размери се определят от баланса на силите. Променящата се скорост на разширяване въвежда нова сила в равновесие, но не може да накара обектите да се разширяват или свиват.

Например, ако гравитацията стане по-силна, гръбначният ви мозък ще се свие, докато електроните в гръбнака ви достигнат ново равновесно положение, малко по-близо един до друг. Височината ви ще намалее леко, но компресията ще спре дотук. По същия начин, ако живеехме във Вселена с преобладаване на гравитационните сили, както повечето космолози вярваха преди няколко години, тогава разширяването ще се забави и всички тела ще бъдат подложени на слабо компресиране, принуждавайки ги да достигнат по-малко равновесие размер. Но след като го достигнаха, те вече нямаше да се свиват.

КОЛКО НАЙ-ГОЛЯМА Е НАБЛЮДАЕМАТА ВСЕЛЕНА?

ГРЕШНО: Вселената е на 14 милиарда години, така че видимата част от нея трябва да има радиус от 14 милиарда светлинни години.Помислете за най-отдалечената от наблюдаваните галактики - тази, чиито фотони, излъчени веднага след Големия взрив, са достигнали едва сега нас. Светлинна година е разстоянието, изминато от фотон за една година. Това означава, че фотонът е изминал 14 милиарда светлинни години

ДЯСНО: Тъй като пространството се разширява, наблюдаваният регион има радиус, по-голям от 14 милиарда светлинни години. Докато фотонът пътува, пространството, което пресича, се разширява. Докато стигне до нас, разстоянието до галактиката, която го е излъчила, става по-голямо от просто изчисленото от времето на полета - приблизително три пъти по-голямо

Всъщност разширението се ускорява, което се дължи на слаба сила, която „надува“ всички тела. Следователно свързаните обекти са малко по-големи по размер, отколкото биха били в неускоряваща се Вселена, тъй като достигат равновесие при малко по-голям размер. На повърхността на Земята ускорението, насочено навън, далеч от центъра на планетата, е малка част ($10^(-30)$) от нормалното гравитационно ускорение към центъра. Ако това ускорение е постоянно, то няма да доведе до разширяване на Земята. Просто планетата придобива малко по-голям размер, отколкото би била без силата на отблъскване.

Но всичко ще се промени, ако ускорението не е постоянно, както смятат някои космолози. Ако отблъскването се увеличи, това в крайна сметка може да причини колапс на всички структури и да доведе до „Голямо разкъсване“, което няма да се случи поради разширяване или ускорение само по себе си, а защото ускорението ще се ускори.

ОБЕКТИТЕ ВЪВ ВСЕЛЕНАТА СЪЩО ЛИ СЕ РАЗШИРЯВАТ?

ГРЕШНО: Да. Разширяването кара Вселената и всичко в нея да става все по-голямо. Нека разгледаме галактическия куп като обект. С увеличаването на Вселената се увеличава и клъстерът. Границата на клъстера (жълта линия) се разширява.

ДЯСНО: Не. Вселената се разширява, но свързаните обекти в нея не го правят. Съседните галактики първоначално се отдалечават, но в крайна сметка тяхното взаимно привличане надделява над разширяването. Формира се клъстер с размер, който съответства на неговото равновесно състояние.

Тъй като новите прецизни измервания помагат на космолозите да разберат по-добре разширяването и ускорението, те може да са в състояние да задават още по-фундаментални въпроси за най-ранните моменти и най-големите мащаби на Вселената. Какво причини разширяването? Много космолози смятат, че причината е процес, наречен инфлация, специален тип ускоряващо се разширяване. Но може би това е само частичен отговор: за да започне, изглежда Вселената вече трябва да се е разширявала. Какво ще кажете за най-големите мащаби извън границите на нашите наблюдения? Дали различните части на Вселената се разширяват по различен начин, така че нашата Вселена да е просто скромен инфлационен балон в гигантска свръхвселена? Никой не знае. Но се надяваме, че с времето ще успеем да разберем процеса на разширяване на Вселената.

ЗА АВТОРИТЕ:
Чарлз Х. Лайнуивър и Тамара М. Дейвис са астрономи в австралийската обсерватория Маунт Стромло. В началото на 1990г. в Калифорнийския университет в Бъркли, Лайнуивър беше част от екип от учени, които откриха флуктуации в космическото микровълново фоново лъчение с помощта на сателита COBE. Защитава дисертация не само по астрофизика, но и по история и английска литература. Дейвис работи върху космическа обсерватория, наречена Supernova/Acceleration Probe.

БЕЛЕЖКИ КЪМ СТАТИЯТА „ПАРАДОКСИТЕ НА ГОЛЕМИЯ ВЗРИВ“
Професор Анатолий Владимирович Засов, физика. Факултет на Московския държавен университет: Всички недоразумения, с които спорят авторите на статията, са свързани с факта, че за по-голяма яснота те най-често разглеждат разширяването на ограничен обем на Вселената в твърда референтна система (и разширяването на достатъчно малък регион, за да не се вземе предвид разликата в хода на времето на Земята и в далечните галактики в земната референтна система). Оттук и идеята за експлозия, доплерово изместване и широко разпространено объркване със скоростите на движение. Авторите пишат, и пишат правилно, как изглежда всичко в неинерциална (съпътстваща) координатна система, в която обикновено работят космолозите, въпреки че статията не го казва директно (по принцип всички разстояния и скорости зависят от избора на референтна система, а тук винаги има някакъв произвол). Единственото нещо, което не е написано ясно е, че не е дефинирано какво се разбира под разстояние в разширяващата се Вселена. Първо, авторите я имат като скоростта на светлината, умножена по времето на разпространение, а след това казват, че е необходимо да се вземе предвид и разширяването, което е отдалечило галактиката още повече, докато светлината е била на път. По този начин разстоянието вече се разбира като скоростта на светлината, умножена по времето на разпространение, което би било необходимо, ако галактиката спре да се отдалечава и сега излъчва светлина. В действителност всичко е по-сложно. Разстоянието е зависимо от модела количество и не може да бъде получено директно от наблюдения, така че космолозите се справят добре и без него, като го заменят с червено отместване. Но може би по-строг подход тук е неподходящ.

Теорията за Големия взрив се превърна в почти толкова широко приет космологичен модел, колкото въртенето на Земята около Слънцето. Според теорията преди около 14 милиарда години спонтанни вибрации в абсолютната празнота са довели до появата на Вселената. Нещо, сравнимо по размер със субатомна частица, се разширява до невъобразими размери за част от секундата. Но в тази теория има много проблеми, с които физиците се борят, излагайки все повече и повече нови хипотези.


Какво не е наред с теорията за големия взрив

От теорията следваче всички планети и звезди са се образували от прах, разпръснат из космоса в резултат на експлозия. Но какво го предшества не е ясно: тук нашият математически модел на пространство-времето спира да работи. Вселената е възникнала от първоначално сингулярно състояние, към което съвременната физика не може да бъде приложена. Теорията също така не разглежда причините за сингулярността или материята и енергията за нейното възникване. Смята се, че отговорът на въпроса за съществуването и произхода на първоначалната сингулярност ще бъде даден от теорията на квантовата гравитация.

Повечето космологични модели предсказватче цялата Вселена е много по-голяма от наблюдаваната част - сферична област с диаметър приблизително 90 милиарда светлинни години. Ние виждаме само тази част от Вселената, светлината от която успя да достигне до Земята за 13,8 милиарда години. Но телескопите стават все по-добри, откриваме все по-далечни обекти и няма причина да смятаме, че този процес ще спре.

След Големия взрив Вселената се разширява с ускоряваща се скорост.Най-трудната мистерия на съвременната физика е въпросът какво причинява ускорението. Според работната хипотеза Вселената съдържа невидим компонент, наречен „тъмна енергия“. Теорията за Големия взрив не обяснява дали Вселената ще се разширява безкрайно и ако да, до какво ще доведе това - до нейното изчезване или до нещо друго.

Въпреки че Нютоновата механика беше изместена от релативистката физика,не може да се нарече погрешно. Въпреки това възприемането на света и моделите за описание на Вселената са напълно променени. Теорията за Големия взрив предсказва редица неща, които не са били известни преди. Следователно, ако друга теория дойде да я замести, тя трябва да бъде подобна и да разшири разбирането за света.

Ще се съсредоточим върху най-интересните теории, описващи алтернативни модели на Големия взрив.


Вселената е като мираж на черна дупка

Вселената е възникнала поради колапса на звезда в четириизмерна Вселена, според учени от Института за теоретична физика Периметър. Резултатите от изследването им са публикувани от Scientific American. Ниайеш Афшорди, Робърт Ман и Рази Пурхасан казват, че нашата триизмерна Вселена се е превърнала в един вид „холографски мираж“, когато четириизмерна звезда се е сринала. За разлика от теорията за Големия взрив, която постулира, че Вселената е възникнала от изключително горещо и плътно пространство-време, където стандартните закони на физиката не са приложими, новата хипотеза за четириизмерна вселена обяснява както произхода, така и бързото й разширяване.

Според сценария, формулиран от Афшорди и колегите му, нашата триизмерна Вселена е вид мембрана, която плава през още по-голяма вселена, която вече съществува в четири измерения. Ако това четириизмерно пространство имаше свои собствени четириизмерни звезди, те също щяха да експлодират, точно както триизмерните в нашата Вселена. Вътрешният слой ще се превърне в черна дупка, а външният ще бъде изхвърлен в космоса.

В нашата Вселена черните дупки са заобиколени от сфера, наречена хоризонт на събитията. И ако в тримерното пространство тази граница е двумерна (като мембрана), тогава в четириизмерна вселена хоризонтът на събитията ще бъде ограничен до сфера, която съществува в три измерения. Компютърни симулации на колапса на четириизмерна звезда показаха, че нейният триизмерен хоризонт на събитията постепенно ще се разширява. Точно това наблюдаваме, наричайки растежа на 3D мембраната разширение на Вселената, смятат астрофизиците.


Голямо замразяване

Алтернатива на Големия взрив е Голямото замразяване. Екип от физици от университета в Мелбърн, ръководен от Джеймс Квач, представи модел на раждането на Вселената, който напомня повече за постепенното замразяване на аморфна енергия, отколкото за нейното освобождаване и разширяване в три посоки на пространството.

Безформена енергия, според учените, като вода, охладена до кристализация, създавайки обичайните три пространствени и едно времево измерение.

Теорията за голямото замръзване оспорва понастоящем приетото твърдение на Алберт Айнщайн за непрекъснатостта и плавността на пространството и времето. Възможно е пространството да има компоненти - неделими градивни елементи като малки атоми или пиксели в компютърната графика. Тези блокове са толкова малки, че не могат да бъдат наблюдавани, но следвайки новата теория, е възможно да се открият дефекти, които трябва да пречупват потока на други частици. Учените са изчислили подобни ефекти с помощта на математика и сега ще се опитат да ги открият експериментално.


Вселена без начало и край

Ахмед Фараг Али от университета Бенха в Египет и Саурия Дас от университета в Летбридж в Канада предложиха ново решение на проблема със сингулярността чрез изоставяне на Големия взрив. Те въвеждат идеите на известния физик Дейвид Бом в уравнението на Фридман, описващо разширяването на Вселената и Големия взрив. „Удивително е, че малки корекции могат потенциално да решат толкова много проблеми“, казва Дас.

Полученият модел съчетава общата теория на относителността и квантовата теория. То не само отрича сингулярността, предшестваща Големия взрив, но също така не признава, че Вселената в крайна сметка ще се свие обратно в първоначалното си състояние. Според получените данни Вселената има краен размер и безкраен живот. Във физически план моделът описва Вселена, изпълнена с хипотетична квантова течност, която се състои от гравитони - частици, които осигуряват гравитационно взаимодействие.

Учените също твърдят, че техните открития са в съответствие с последните измервания на плътността на Вселената.


Безкрайна хаотична инфлация

Терминът „инфлация“ се отнася до бързото разширяване на Вселената, което се е случило експоненциално в първите моменти след Големия взрив. Самата теория за инфлацията не опровергава теорията за Големия взрив, а само я интерпретира по различен начин. Тази теория решава няколко фундаментални проблема във физиката.

Според инфлационния модел малко след раждането си Вселената се разширява експоненциално за много кратко време: нейният размер се удвоява многократно. Учените смятат, че за 10 до -36 секунди Вселената се е увеличила по размер най-малко от 10 до 30 до 50 пъти, а вероятно и повече. В края на инфлационната фаза Вселената беше изпълнена със свръхгореща плазма от свободни кварки, глуони, лептони и високоенергийни кванти.

Концепцията предполагакоето съществува в света много вселени, изолирани една от другас различно устройство

Физиците са стигнали до извода, че логиката на инфлационния модел не противоречи на идеята за постоянното многократно раждане на нови вселени. Квантовите флуктуации – същите като тези, създали нашия свят – могат да възникнат във всякакви количества, ако условията са подходящи за тях. Напълно възможно е нашата вселена да е излязла от зоната на флуктуация, която се е образувала в предшестващия свят. Може също така да се предположи, че някой ден и някъде в нашата Вселена ще се образува флуктуация, която ще „издуха“ млада Вселена от съвсем различен вид. Според този модел дъщерните вселени могат непрекъснато да се развиват. Освен това изобщо не е необходимо същите физически закони да бъдат установени в нови светове. Концепцията предполага, че в света има много вселени, изолирани една от друга с различни структури.


Циклична теория

Пол Щайнхард, един от физиците, поставили основите на инфлационната космология, решава да доразвие тази теория. Ученият, който ръководи Центъра за теоретична физика в Принстън, заедно с Нийл Турок от Perimeter Institute for Theoretical Physics, очертаха алтернативна теория в книгата Endless Universe: Beyond the Big Bang („Безкрайната вселена: Отвъд Големия взрив“).Техният модел се основава на обобщение на квантовата суперструнна теория, известна като М-теория. Според него физическият свят има 11 измерения – десет пространствени и едно времево. В него „плуват“ пространства с по-ниски измерения, така наречените брани. (съкратено от "мембрана").Нашата Вселена е просто една от тези брани.

Моделът на Steinhardt и Turok твърди, че Големият взрив е настъпил в резултат на сблъсъка на нашата брана с друга брана – неизвестна вселена. При този сценарий сблъсъците възникват безкрайно. Според хипотезата на Steinhardt и Turok, друга триизмерна брана „плува“ до нашата брана, разделена на малко разстояние. Освен това се разширява, сплесква и изпразва, но след трилион години браните ще започнат да се приближават една до друга и в крайна сметка ще се сблъскат. Това ще освободи огромно количество енергия, частици и радиация. Този катаклизъм ще предизвика нов цикъл на разширяване и охлаждане на Вселената. От модела на Steinhardt и Turok следва, че тези цикли са съществували в миналото и със сигурност ще се повторят в бъдеще. Теорията мълчи за това как са започнали тези цикли.


Вселена
като компютър

Друга хипотеза за структурата на Вселената казва, че целият ни свят не е нищо повече от матрица или компютърна програма. Идеята, че Вселената е цифров компютър, е представена за първи път от немския инженер и компютърен пионер Конрад Цузе в книгата му „Изчисляване на пространството“. („Изчислително пространство“).Сред онези, които също смятат Вселената за гигантски компютър, са физиците Стивън Волфрам и Джерард 'т Хоофт.

Теоретиците на цифровата физика предполагат, че вселената е по същество информация и следователно изчислима. От тези предположения следва, че Вселената може да се разглежда като резултат от компютърна програма или цифрово изчислително устройство. Този компютър може да бъде например гигантски клетъчен автомат или универсална машина на Тюринг.

Косвени доказателства виртуалната природа на Вселенатанаречен принцип на неопределеността в квантовата механика

Според теорията всеки обект и събитие във физическия свят идва от задаване на въпроси и записване на отговори „да“ или „не“. Тоест зад всичко, което ни заобикаля, стои определен код, подобен на двоичния код на компютърна програма. И ние сме един вид интерфейс, чрез който се появява достъп до данните на „универсалния интернет“. Косвено доказателство за виртуалната природа на Вселената се нарича принцип на несигурност в квантовата механика: частиците на материята могат да съществуват в нестабилна форма и се „фиксират“ в определено състояние само когато се наблюдават.

Цифровият физик Джон Арчибалд Уилър пише: „Не би било неразумно да си представим, че информацията се намира в ядрото на физиката, както в ядрото на компютъра. Всичко е от бита. С други думи, всичко, което съществува - всяка частица, всяко силово поле, дори самият пространствено-времеви континуум - получава своята функция, своето значение и в крайна сметка самото си съществуване."

  • Превод

Какво се случи преди Големия взрив? Периодът на инфлация (ако наистина е имало такава). Какво знаем за случилото се преди инфлацията?

Разбира се, има много научни спекулации за случилото се преди това. Но има много от тях, те си противоречат и днес нямаме данни, които да ни помогнат да разберем кой от тези аргументи е верен. Няма дори водеща теория, чиято вероятност повечето учени биха оценили като най-голяма. Просто нищо не се знае за това. Може дори да се окаже, че процесът на инфлация продължава и до днес и продължава в по-голямата част от Вселената, като понякога спира в малки части от нея (големи в сравнение с частта от Вселената, която наблюдаваме, но малки в сравнение с Вселената като цяло).

И след инфлацията имаше горещ Голям взрив. В предишна статия, изясняваща объркването около Големия взрив, беше обяснено, че Вселената не се разширява „в нещо“ – няма такова нещо като „там някъде“. Сега нека разгледаме по-отблизо самия Голям взрив, който всъщност не е „експлозия“, а разширяване на пространството, въпреки това, което безброй книги, видеоклипове, статии и изявления често описват. Нека да разгледаме разликите между експлозия на нещо в космоса и разширяване на самото пространство.

Ориз. 1

На фиг. Фигура 1 показва ситуацията преди и след експлозията. Първоначално в този пример има определено пространство със семе в средата, ролята на което се играе от бомба, граната, звезда или друга форма на съхранена енергия. И пространството, и семето съществуват предварително. Тогава нещо се случва и семето експлодира. Съдържанието на семето претърпява някаква трансформация - например възниква химическа или ядрена реакция - освобождаване на енергия. Това създава огромна температура и налягане вътре в семето. Силите, свързани с компресираната температура и налягане, карат вътрешностите на семето да се разширяват навън под формата на гореща топка от материя. Енергията изтича от него с висока скорост, с температура, първоначално равна на тази на вътрешността на семето, а след това налягането и температурата постепенно спадат, докато вътрешността на семето се разширява навън в предварително съществуващото пространство около него в където се е намирал първоначално.

Имайте предвид, че експлозията е причинена от реакция, която създава изключително високо налягане и температура в малък регион. Това е дисбалансът между огромното налягане и температура вътре в семето и ниското налягане и температура отвън, което кара семето да експлодира навън. И всичко, което е било вътре, се отдалечава от първоначалното си местоположение с висока скорост. Скоростта, с която се отдалечават от началната точка, не може да надвишава скоростта на светлината, така че има ограничения за това колко бързо могат да се отдалечават един от друг.

На фиг. Фигура 2 изобразява процеса (който по принцип би могъл да протича и преди момента, показан вляво) на разширяване на пространството. Между изображението отляво и изображението отдясно пространството се е удвоило, както се вижда от линиите на решетката. Всичко, което е вътре в пространството и се държи заедно от мощни сили - столове, маси, котки и хора - не се разширява. Разширява се само пространството, в което всички те живеят. Накратко, има повече място, така че има повече място за предметите вътре в него.

В този случай обектите по същество не се движат! Не се отблъскват от натиск или температура, никой не ги рита. Просто пространството между тях и около тях расте, появява се от нищото и прави разстоянието между тях по-голямо от преди. И това увеличение е равномерно (за равномерно разширение). В дясното изображение разстоянието между котката и масата се е удвоило, както и разстоянието между котката и стола. Това се случва, когато Вселената удвои размера си.


Ориз. 2

Такава промяна в пространството е възможна според теорията за гравитацията на Айнщайн, но не и според по-старата теория на Нютон. За Айнщайн пространството не е просто място, където всичко се случва; това е нещо само по себе си, способно да расте, свива, деформира, осцилира и променя формата си. (По-точно пространството и времето правят всичко това съвместно). Вълничките в пространство-времето се наричат ​​гравитационни вълни.

Тъй като пространството се разширява и обектите не се движат, теорията на относителността не налага ограничения върху скоростта, с която расте разстоянието между обектите, тоест върху скоростта, с която се появява ново пространство между тях. Разстоянието между два обекта може да се увеличи по-бързо от скоростта на светлината. Няма противоречие с теорията на относителността.

Хората често казват с неточни и общи фрази неща като „теорията на относителността гласи, че нищо не може да пътува по-бързо от светлината“. Но думите „нищо“ и „движение“ имат множество значения и науката ни казва, че използването на неточни думи може да доведе до проблеми. Думите на Айнщайн, ако ги прочетете, също често са двусмислени и лесни за погрешно разбиране, въпреки че той се опита да бъде точен. Но уравненията на Айнщайн не са двусмислени. Точното твърдение на теорията на относителността е, че ако два обекта преминават един през друг на едно и също място в пространството и наблюдател се движи заедно с един от тях, тогава скоростта на другия обект от гледна точка на този наблюдател ще не е по-голяма от скоростта на светлината. Но това не противоречи на това, което твърдя: че разстоянието между два обекта, разположени на различни места, може да се увеличи по-бързо. И това ще продължи да се случва в една равномерно разширяваща се Вселена, ако два обекта са разположени достатъчно далеч един от друг.

Също така имайте предвид, че разширяването на Вселената, за разлика от експлозията, не е причинено от температура или налягане. Специално нарисувах нормалните предмети, маси и столове, така че можете да видите, че в сравнение с експлозия, която ще повреди или унищожи нормални обекти, разширяването ги оставя непокътнати, те просто се отдалечават един от друг. Разширяването може да се случи в много гореща вселена - и това се случи в ранната история на нашата вселена, по време на горещия Голям взрив. Но разширяването може да се случи и в много студена вселена. Има подозрение, че това също се е случило в периода на космическата инфлация. И, разбира се, нашата Вселена днес е доста студена, но тя не просто се разширява, а се разширява с ускоряваща скорост.

Ерата на горещия Голям взрив, в чиито последни етапи живеем, започна в някакъв момент като голям регион от пространството, изпълнен с гореща, гъста супа от частици, която първо се разширява и охлажда много бързо, а след това правеше това все по-бавно, до момента, който се случи преди няколко милиарда години. Не започна като точков обект, експлодиращ в празно пространство. Ще разгледаме как би могъл да започне горещ Голям взрив след инфлацията в следващите статии.

Нашата Галактика – Млечният път – принадлежи към така наречените галактики от спирален тип (S – Galaxies), които представляват въртящ се диск от водороден газ, прах и звезди с ясно изразени спирални ръкави (фиг. 1.6). Това е сложен астрономически обект, състоящ се от ядро, удебеляване в централната част - издутина (от английската дума "buldge"), ореол и самия диск (фиг. 1.7). Плътното ядро ​​в центъра на диска съдържа предимно стари звезди и не съдържа газ и прах. В сърцето на нашата Галактика се крие Черна дупка (Черните дупки са прекрасно описани в книгата на A.M. Черепашчук „Черни дупки“).
Наскоро орбиталната рентгенова обсерватория Чандра регистрира мощно рентгеново изригване в центъра на Галактиката, което даде възможност да се определи размерът на черната дупка - не повече от разстоянието от Земята до Слънцето.
Дискът на Галактиката е пълен с газ, прах и предимно млади звезди. Диаметърът на диска е около 30 000 парсека (Pc), изпъкналостта е 8000 Pc. Почти всички звезди и по-голямата част от газовата и праховата материя са концентрирани в спиралните ръкави на диска.
Дискът е заобиколен от сферичен ореол. Размерът му е с порядък по-голям от напречния размер на диска. Ореолът съдържа редки звезди и клъстери от звезди - клъстери, наброяващи много стотици хиляди звезди. В допълнение, Halo има тъмна материя(„тъмна материя“), която беше идентифицирана чрез гравитационни ефекти. Тъмната материя увеличава масата на Галактиката поне няколко пъти.
Слънцето, най-близката до нас звезда, се намира в спиралата на Орион на разстояние ~25 000 Pc от центъра на нашата галактика. Слънцето е сравнително млада звезда - възрастта й е 5 милиарда години. Млечният път е поне два пъти по-стар от Слънцето: звездните купове може да са на 10 милиарда години.
Общият брой на звездите в диска на Галактиката е 10 11 (сто милиарда). В допълнение към звездите, Галактиката включва и междузвездната среда. Основният компонент на междузвездната среда е междузвезден газ, състоящ се главно (~90%) от водород и междузвезден прах (~1%). Междузвездната среда съдържа магнитни полета и електромагнитно излъчване. Галактиката се върти различно: в периферията скоростта й на въртене е по-малка, отколкото в централните области. Орбиталният период на нашата Слънчева система около центъра на Галактиката е приблизително 200 милиона години. Нека запомним това число. Ще се върнем към него по-късно.
Средната плътност на междузвездната материя в диска се оценява на 10 -24 g/cm 3 (приблизително 1 водороден атом на cm 3). Има големи отклонения от тази стойност: това са плътни облаци, дълги до десетки парсеци, с плътност от 100 до 1000 атома/cm 3 .
Материята, открита в Галактиката в атомно състояние под въздействието на ултравиолетовото лъчение от звездите йонизиран(неутралните атоми „губят” своите електронни обвивки). Например, до 90% от водорода се състои от него йони– протони.
Масата на цялата Вселена, а това са оптически ярки звезди, междузвезден прах и газ, молекулярни облаци, планети, е концентрирана в протони и неутрони (85% са протони и 15% са неутрони). Неутроните, като нестабилни частици, съществуват само вътре в ядрата. Всичко това съставлява така наречената барионна материя.

Нека сега се обърнем към проблема за количествените отношения между различните форми на материя в съвременната Вселена. На фиг. 1.8 отговаря на този въпрос. Отговорът е според нивото на познанията ни днес. От диаграмата, показана на фиг. 1.8 е ясно, че само няколко процента (около 4%) от състава на Вселената принадлежи на това, от което вярваме, че е образуван нашият свят. Това е барионна материя. Всичко останало, а това е почти 96%, е тъмна материя и тъмна енергия – материалните субстанции на Вселената са все още слабо разбрани за нас. Знаем, че те определено съществуват. Но ние не знаем какво е то. Ние само изграждаме хипотези и се опитваме да провеждаме експерименти с надеждата да докажем тяхната валидност. Но остава фактът, че все още нямаме аргументи в полза на окончателния избор на хипотеза, която обяснява състава на тъмната материя и тъмната енергия във Вселената.
Тъмната енергия, според съвременните възгледи, е именно силата, която кара Вселената да се разширява. Ако гравитацията, която ни е позната, кара телата да се привличат, то тъмната енергия е по-скоро антигравитация, допринасяща за разсейването на телата във Вселената. Очевидно веднага след Големия взрив разширяването на Вселената се забави, но след това „тъмната енергия“ надви гравитацията и ускорението започна отново - разширяването на Вселената. Това не е хипотеза, а експериментален факт, открит от радиация червено отместване -намаляване на яркостта на далечните свръхнови: те са по-ярки, отколкото трябва да бъдат от картината на забавянето на разширяването на Вселената. Ефектът на "червеното изместване" - увеличение на дължината на вълната на спектъра на наблюдавания източник, регистрирано от наблюдателя (поради което звездите изглеждат по-ярки) - е един от забележителните експериментални астрономически факти. Космологичното „червено изместване” на наблюдаваните галактики е предсказано от А. Айнщайн и до днес е едно от убедителните доказателства за разширяващата се Вселена.
Гмуркайки се в ерата на ранната космология, можем да си спомним, че великият Айнщайн, опитвайки се да запази статичната природа на Вселената, въведе, станала историческа, космологична константа - балансиране на силите на привличане на небесните тела. Но след откриването на „червеното отместване“, той премахна константата от своите уравнения. Очевидно А. Айнщайн е сгрешил, като го е отхвърлил: В крайна сметка това е тъмната енергия, която интригува съвременните астрофизици.
Не е ясно дали човечеството има късмет или нещастие, но то живее в период от развитието на Вселената, когато тъмната енергия преобладава, насърчавайки разширяването. Но този процес вероятно не е вечен и след период от време, сравним с възрастта на Вселената (10-20 милиарда години), историята може да се обърне - нашият свят ще започне да се свива. Дали моментът на Големия колапс - алтернатива на Големия взрив - ще настъпи или не, е, разбира се, голям въпрос в съвременната космология.
Учените успяха да докажат съществуването на разширяваща се Вселена - това е червеното изместване на оптичното излъчване на Галактиката и реликтовото електромагнитно излъчване - реликтни фотони, които ще бъдат обсъдени по-долу. Може би в бъдеще учените ще успеят да установят съществуването на „предвестници“ на предстоящото компресиране на Вселената.
Друг експериментален факт - изследването на отклонението на светлината от далечни галактики в гравитационните полета на Вселената - доведе астрофизиците до заключението за съществуването на скрита - тъмна материя - някъде близо до нас. Именно тази тъмна материя променя пътищата на светлинните лъчи в по-голяма степен, отколкото би се очаквало при наличието само на видими близки галактики. Учените са изследвали разпределението на повече от 50 000 галактики в звездното небе в опит да изградят пространствен модел на структурата на тъмната материя. Всички получени резултати неумолимо свидетелстват в полза на съществуването му, а Вселената в основата си е тъмна материя. Съвременните оценки показват стойност от около 80%. Тук отново повтаряме – ние не знаем от какви частици се състои тази тъмна материя. Учените само предполагат, че се състои от две части: някакви неизвестни екзотични масивни частици и физически вакуум.
Ще се върнем към този проблем по-късно, но засега ще се обърнем отново към формата на материята, която ни е позната, състояща се от бариони (протони и неутрони) и електрони - „барионна материя“. Знаем много повече за нея. За повече от стогодишен период от историята на развитието на физиката - от откриването на елементарните частици и структурата на атома до резултатите от изследванията в тази област, както и в астрофизиката, науката е получила на свое разположение много нови резултати за структурата на познатата ни материя.