Космогония

Эволюция Вселенной

Как происходил процесс развития и эволюции Вселенной? В течение следующих миллиардов лет гравитация заставила более плотные области притягиваться. В этом процессе формировались газовые облака, звезды, галактические структуры и прочие небесные объекты.

Этот период именуют Структурной Эпохой, так как именно в этот временной отрезок зарождалась современная Вселенная. Видимое вещество распределялось на различные формирования (звезды в галактики, а те в скопления и сверхскопления).

Что было до появления Вселенной

Сложно представить время за 13,7 миллиардов лет до сегодняшнего дня, когда вся Вселенная представляла собой сингулярность. Согласно теории Большого взрыва, один из главных претендентов на роль объяснения того, откуда появилась Вселенная и вся материя в космосе — все было сжато в точку, меньшую, чем субатомная частица. Но если это еще можно принять, задумайтесь вот о чем: что же было до того, как случился Большой взрыв?

Этот вопрос современной космологии уходит корнями еще в четвертое столетие нашей эры. 1600 лет назад теолог Августин Блаженный как и один из лучших физиков 20 века Альберт Эйнштейн пытались понять природу  до сотворения Вселенной. Они пришли к выводу , что просто не было никакого «до».

В настоящее время человеком выдвигаются различные теории.

Теория Мультивселенной

Что если наша Вселенная является потомком другой, старшей Вселенной? Некоторые астрофизики полагают, что пролить свет на эту историю поможет реликтовое излучение, оставшееся от большого взрыва.

Согласно этой теории, в первые мгновения своего существования Вселенная начала чрезвычайно быстро расширяться. Также теория объясняет температуру и плотность флуктуаций реликтового излучения и подсказывает, что эти флуктуации должны быть одинаковыми.

Но, как выяснилось, нет. Последние исследования дали понять, что Вселенная на самом деле однобока, и в некоторых областях флуктуаций больше, чем в других. Некоторые космологи считают, что это наблюдение подтверждает, что у нашей Вселенной была «мать»(!)

В теории хаотической инфляции эта идея приобретает размах: бесконечный прогресс инфляционных пузырьков порождает обилие вселенных, и каждая из них порождает еще больше инфляционных пузырьков в огромном количестве Мультивселенных.

Теория белых и черных дыр

Тем не менее, существуют модели, которыми пытаются объяснить образование сингулярности до большого взрыва. Если вы думаете о черных дырах как о гигантских мусоросборниках, они являются главными кандидатами первоначального сжатия, поэтому наша расширяющаяся Вселенная вполне может быть белой дырой — выходным отверстием черной дыры, и каждая черная дыра в нашей Вселенной может вмещать в себя отдельную вселенную.

Большой скачок

Другие ученые считают, что в основе формирования сингулярности лежит цикл под названием «большой скачок», в результате которого расширяющаяся вселенная в итоге коллапсирует сама в себя, порождая другую сингулярность, которая, опять же, порождает другой большой взрыв.

Теория циклической Вселенной

Последнее объяснение, которое мы рассмотрим, использует идею циклической Вселенной, порожденной теорией струн. Она предполагает, что новая материя и потоки энергии появляются каждые триллионы лет, когда две мембраны или браны, лежащие за пределами наших измерений, сталкиваются между собой.

Что было до Большого взрыва? Вопрос остается открытым. Может быть, ничего. Может, другая Вселенная или другая версия нашей. Может, океан Вселенных, в каждой из которых — свой набор законов и констант, диктующих природу физической реальности.

Возраст, размеры и состав

Масштабы Вселенной потрясают: они намного больше, чем мы могли представить двадцать или тридцать лет назад. Ученые уже обнаружили около пятисот миллиардов галактик, и число постоянно увеличивается. Каждая из них вращается вокруг собственной оси и удаляется от других на огромной скорости из-за расширения Вселенной.

«Умирающая» звезда. Яркие участки — это потоки извергающегося газа

Квазар 3C 345 – один из самых ярких объектов во Вселенной – расположен от нас на удалении в пять миллиардов световых лет. Человеческий разум даже представить не может подобные расстояния. Космическому кораблю, движущемуся со световой скоростью, понадобится тысяча лет, чтобы облететь наш Млечный путь. До галактики Андромеды ему пришлось бы добираться 2,5 тыс. лет. А ведь это ближайшая соседка.

Говоря о размерах Вселенной, мы имеем ввиду ее видимую часть, называемую еще Метагалактикой. Чем больше результатов наблюдений мы получаем, тем дальше раздвигаются границы Вселенной. Причем происходит это одновременно по всем направлениям, что доказывает ее сферическую форму.

Исходя из скорости света можно предположить, что ее размеры также составляют 13,8 млрд световых лет. Однако на самом деле они больше, ибо с момента рождения Вселенная непрерывно расширяется. Часть движется со сверхсветовой скоростью, из-за чего значительное количество объектов во Вселенной останутся невидимыми навеки. Данный предел называются сферой или горизонтом Хаббла.

«Столпы творения» — одно из самых известных фото телескопа Хаббл. На самом деле, они представляют собой потоки газа и пыли в Туманности Орла

Диаметр Метагалактики составляет 93 млрд световых лет. Мы не знаем, что находится за пределами известной Вселенной. Может быть, существуют и более далекие объекты, недоступные сегодня для астрономических наблюдений. Значительная часть ученых верит в бесконечность Вселенной.

Возраст Вселенной неоднократно проверялся с использованием различных методик и научных инструментов. Последний раз его подтвердили с помощью орбитального телескопа «Планк». Имеющиеся данные полностью соответствуют современным моделям расширения Вселенной.

Из чего состоит Вселенная? Водород – самый распространенный элемент во Вселенной (75%), на втором месте находится гелий (23%), на остальные элементы приходятся ничтожные 2% от общего количества вещества. Средняя плотность — 10-29 г/см3, значительная часть которой приходится на так называемую темную энергию и материю. Зловещие названия не говорят об их ущербности, просто темная материя, в отличие от обычной, не взаимодействует с электромагнитным излучением. Соответственно, мы не можем наблюдать ее и делаем свои заключения только по косвенным признакам.

Основные концептуальные взгляды космологии

На самом деле идей возникновения Вселенной несколько. Одну из них можно назвать теологической. То есть той, которая прописана в Библии. Согласно писаниям, до определенного момента Вселенная была скрыта от других и являлась чем-то невидимым, недостижимым для чужих глаз.

Вселенная

Другие же предположения исходили из научных соображений. Первым был Эйнштейн, утверждавший, что Вселенная находится в стационарном положении. Впоследствии его опроверг Фридман, доказавший ее сужение и расширение за счет определенных движений. Далее, по результатам исследований Хаббла, выяснились наиболее точные расстояния от других галактик и была создана теория Большого взрыва.

Средние века и Новое время

После крушения Римской империи и распространения христианства, Европа почти на тысячелетие погрузилась в Темные века – развитие естественных наук, в том числе и астрономии, практически остановилось. Европейцы черпали информацию об устройстве и законах Вселенной из библейских текстов, немногочисленные астрономы твердо придерживались геоцентрической системы Птолемея, небывалой популярностью пользовалась астрология. Реальное изучение учеными Вселенной началось только в эпоху Возрождения.

В конце XV столетия кардиналом Николаем Кузанским была выдвинута смелая идея об универсальности мироздания и бесконечности глубин Вселенной. Уже к XVI веку стало понятно, что взгляды Птолемея ошибочны, и без принятия новой парадигмы дальнейшее развитие науки немыслимо. Поломать старую модель решился польский математик и астроном Николай Коперник, предложивший гелиоцентрическую модель Солнечной системы.

Гелиоцентрическая модель, предложенная польским священником и астрономом Коперником

С современной точки зрения, его концепция была несовершенной. У Коперника движение планет обеспечивалось вращением небесных сфер, к которым они крепились. Сами орбиты имели круговую форму, а на границе мира находилась сфера с неподвижными звездами. Однако, поместив Солнце в центр системы, польский ученый, без сомнения, совершил настоящую революцию. Историю астрономии можно разделить на две большие части: древнейший период и изучение Вселенной от Коперника до наших дней.

В 1608 году итальянский ученый Галилей изобрел первый в мире телескоп, который дал огромный толчок развитию наблюдательной астрономии. Теперь ученые могли созерцать глубины Вселенной. Оказалось, что Млечный путь состоит из миллиардов звезд, Солнце имеет пятна, Луна – горы, а вокруг Юпитера вращаются спутники. Появление телескопа вызвало настоящий бум оптических наблюдений за чудесами Вселенной.

В середине XVI века датский ученый Тихо Браге первым начал регулярные астрономические наблюдения. Он доказал космическое происхождение комет, опровергнув тем самым идею Коперника о небесных сферах. В начале XVII столетия Иоганн Кеплер разгадал тайны движения планет, сформулировав свои знаменитые законы. В это же время были открыты туманности Андромеды и Ориона, кольца Сатурна, составлена первая карта лунной поверхности.

В 1687 году Исааком Ньютоном был сформулирован закон всемирного тяготения, объясняющий взаимодействие всех составляющих Вселенной. Он позволил увидеть скрытый смысл законов Кеплера, которые, по сути, были выведены эмпирическим путем. Принципы, открытые Ньютоном, позволили ученым по-новому взглянуть на пространство Вселенной.

XVIII столетие стало периодом бурного развития астрономии, значительно расширившим границы известной Вселенной. В 1785 году Кант выдвинул блестящую идею, что Млечный путь – это огромное звездное скопление, собранное воедино гравитацией.

В это время на «карте Вселенной» появлялись новые небесные тела, совершенствовались телескопы.

В XIX веке инструменты ученых стали более точными, появилась фотографическая астрономия. Спектральный анализ, появившийся в середине столетия, привел к настоящей революции в наблюдательной астрономии – теперь темой для исследований стал химический состав объектов. Был открыт пояс астероидов, измерена скорость света.

История космологии: древнейший период

Человек задумывался об устройстве окружающего мира с незапамятных времен. Наиболее ранние представления о строении и законах Вселенной можно обнаружить в сказках и легендах разных народов мира.

Считается, что регулярные астрономические наблюдения впервые стали практиковаться в Месопотамии. На этой территории последовательно проживали несколько развитых цивилизаций: шумеры, ассирийцы, персы. О том, как они представляли себе Вселенную, мы можем узнать из множества клинописных табличек, найденных на месте древних городов. Первые записи, касающиеся движения небесных тел, датируются VI тысячелетием до нашей эры.

Небесный диск из Небры. Он датируется XVII веком до н. э. Считается, что этот артефакт использовался для астрономических наблюдений

Из астрономических явлений шумеров больше всего интересовали циклы – смены времен года и фаз луны. От них зависел будущий урожай и здоровье домашних животных, следовательно, и выживание человеческой популяции. Из этого был сделан вывод о влиянии небесных тел на процессы, происходящие на Земле. Стало быть, изучая Вселенную, можно предсказывать свое будущее – так родилась астрология.

Шумеры изобрели шест для определения высоты Солнца, создали солнечный и лунный календарь, описали основные созвездия, открыли некоторые законы небесной механики.

Значительных высот наука о небе достигла в Древнем Китае. Здесь еще в III тысячелетии до н. э. появилась должность придворного астронома, а в XII веке до н. э. были открыты первые обсерватории. О солнечных затмениях, пролетах комет, метеоритных потоках и других интересных космических событиях древности мы в основном знаем из китайских летописей и хроник, которые скрупулёзно велись на протяжении столетий.

В большом почете астрономия была у эллинов. У них изучением этого вопроса занимались многочисленные философские школы, каждая из которых, как правило, имела собственную систему Вселенной. Греки первыми выдвинули предположение о шарообразной форме Земли и о вращении планеты вокруг собственной оси. Астроном Гиппарх ввел в оборот понятия апогея и перигея, эксцентриситета орбиты, разработал модели движения Солнца и Луны, высчитал периоды обращения планет. Большой вклад в развитие астрономии внес Птолемей, которого можно назвать творцом геоцентрической модели Солнечной системы.

Геоцентрическая модель Птолемея. На протяжении столетий люди считали, что Земля — это центр Вселенной

Больших высот в изучении законов Вселенной достигла цивилизация майя. Это подтверждают результаты археологических раскопок. Жрецы умели предсказывать солнечные затмения, они создали совершенный календарь, построили многочисленные обсерватории. Астрономы майя наблюдали ближайшие планеты и смогли точно определить их периоды обращения.

Доказательства, что Вселенная имеет возраст

Эдвин Хаббл поставил финальную точку в спорах, доказав наличие границ у Вселенной и их увеличение

Если верить теории Большого взрыва, то отсчет жизни Вселенной начинается в ту секунду, когда сжатая до микроскопических размеров сингулярность моментально расширилась. Со временем это пространство заполнили галактики и постепенно приняли тот вид, который люди наблюдают из телескопов.

Вселенная проделала долгий путь, на который ушли даже не миллионы, а миллиарды лет. Впервые о том, что у нее есть возраст, люди начали задумываться примерно в XVIII веке

Когда Земля была достаточно изучена, они обратили внимание к звездам и начали стремиться узнать как можно больше о них

Средневековая модель Вселенной

Изначально полагалось, что Вселенная бесконечна и не имеет возраста, являясь вечной. Но открытие законов термодинамики как минимум опровергло отсутствие возраста. Согласно им, тепло от горячих объектов переходит к более холодным, пока между ними не установится температурное равновесие. И если бы Вселенная существовала вечно, планеты, звезды и другие космические тела были бы одной температуры. Благодаря таким умозаключениям ученые того времени установили, что пространство вокруг имеет определенный возраст.

Интересный факт: ученые не исключают наличие в космосе областей, где объекты имеют одну температуру. Но они должны состоять из одинаковых материалов.

Доказать наличие возраста у Вселенной иным способом удалось в XX веке. Астроном Леметр выдвинул гипотезу, что пространство вокруг не бесконечно, имеет границы и постоянно увеличивается. Эдвин Хаббл поддержал его, поскольку заметил, что соседние галактики постепенно отдаляются от Млечного Пути. И если перемещаться назад во времени, можно оказаться во мгновении, когда размеры Вселенной были минимальными и еще не начали расти. Именно в этот момент и произошло ее рождение, соответственно она имеет возраст.

Какой формы Вселенная?

Сегодня с помощью телескопа «Хаббл» мы можем увидеть более 100 миллиардов галактик, и в каждой из них, возможно, сотни миллиардов звезд. Но как все это возникло? Почему есть нечто, а не ничто? Это основной вопрос для многих религий. Кажется, что такую огромную Вселенную кто-то должен был создать, что нельзя все это получить из ничего. Я хочу рассказать, почему это не так, почему все эти галактики и звезды могут возникнуть просто благодаря законам физики.

В 1926 году Эдвин Хаббл узнал, что наша Галактика — не единственная во Вселенной. А спустя еще три года он понял, что другие галактики отдаляются от нас. После этого поразительного открытия сразу стало казаться, что мы в центре Вселенной

Однако наблюдения Хаббла говорят о другом: Вселенная расширяется — неважно, из какой галактики вы за этим наблюдаете

До 1929 года наука считала, что Вселенная статична и вечна. Но коль скоро теперь мы поняли, что она движется, то мы можем узнать, что было с ней в прошлом. У всех галактик единое начало: около 13,8 миллиарда лет назад все они были в одной точке, которую мы называем Большим взрывом. Но что станет с галактиками в будущем? Бесконечно ли расширение? Это вопрос, из-за которого я начал заниматься космологией и вообще пошел в физику.

Есть три варианта геометрии нашей Вселенной: она может быть закрытой, открытой или плоской. Имеется в виду не форма самой Вселенной, а то, как в ней выглядит плоскость, сравнимая с размером самой Вселенной. Например, если нарисовать сколь угодно большой треугольник в плоской Вселенной, то сумма его углов будет равна 180 градусам. В открытой Вселенной линии, по которым движется свет, изгибаются, поэтому сумма углов треугольника будет меньше 180 градусов. А в закрытой Вселенной сумма его углов, наоборот, будет больше 180 градусов.

Согласно теории относительности, закрытая Вселенная будет расширяться, а затем сжиматься обратно и в конце концов схлопнется, открытая Вселенная будет расширяться бесконечно, а плоская сначала будет расширяться, а затем очень постепенно замедлится и остановится. Если мы сможем определить, в какой Вселенной живем, то узнаем и наше будущее. Но как это сделать?

Можно ли добраться до края Вселенной?

Учитывая все особенности Вселенной, существует ли возможность того, что человек когда-нибудь доберется до ее границ? Данный вопрос можно назвать и очень простым, и сложным одновременно. На сегодняшний день краем вселенной считается самая удаленная область, которую можно разглядеть при помощи телескопа, а это – около 15 миллиардов световых лет. Чтобы заглянуть дальше, придется подождать изобретения еще более мощных телескопов.

Однако в любом случае добраться туда не получится, даже если бы космические аппараты передвигались со скоростью света. Например, расстояние в 300 тысяч километров является мизерным в масштабах космического пространства. Свет от Солнца до Земли доходит за восемь минут. Так, если подача света прекратится, то человечество узнает об этом только спустя 8 минут. Таким образом, изображение Солнца – это то, как оно выглядело в прошлом. Из-за этой особенности Вселенная заполучила название «машина времени».

Интересный факт: согласно одной из теорий о Вселенной, она может не иметь границ вообще. Ученые считают, есть вероятность того, что если объект будет долго перемещаться в одном направлении в рамках Вселенной, то, рано или поздно, он достигнет своей первоначальной точки отправления.

Например, от звезды Проксима Центавра (ближайшая к Солнцу) свет идет на протяжении 4 лет. Андромеда (крупная галактика, близко расположенная по отношению к Млечному Пути) посылает сигналы 2 миллиона лет. Что касается границы Вселенной, то ни один космонавт не способен преодолеть расстояние в 15 миллиардов лет, соответственно, невозможно совершить путешествие к границе. Кроме того, космические корабли не способны преодолеть скорость света или даже приблизиться к таким показателям (при текущем уровне развития).

В науке о космическом пространстве принято говорить, что у Вселенной нет краев, но есть горизонты. Космологический горизонт – это грань Вселенной, которую способен увидеть человек при помощи наиболее мощного телескопа. Часть наблюдаемой Вселенной называется Метагалактикой. С появлением нового оборудования Метагалактика будет расширяться. Также этот вопрос тесно связан с расширением Вселенной – в будущем возможно, что удаленные галактики уйдут за видимый горизонт. Добраться до края Вселенной невозможно, поскольку расстояние до самой отдаленной видимой области составляет около 15 миллиардов лет.