Вселенная: понятие и происхождение
Понятие «Вселенная» не имеет строго научного определения. Исторически оно употреблялось философами и астрономами для обозначения «всего пространства».
В силу этого синонимами термина «Вселенная» в разных обществах и культурах признавались понятия «космос», «макрокосмос», «мир» и другие.
Развитие в 20 в. математики, физики и астрономии в корне изменило взгляды ученых на возникновение и развитие Вселенной. Мироздание, как выяснилось, не вечно и не неизменно, оно имеет начало и, вероятно, конец.
Открытые астрономами в той части Вселенной, которая доступна для наблюдения с Земли, удивительные явления - в частности так называемое «красное смещение», подсказали исследователям, что в далеком прошлом - примерно 14 млрд лет назад - во Вселенной имело место некое удивительное событие, которое можно сравнить с «сотворением мира» или с неописуемо грандиозным взрывом.
Результатом этого события и стало современное состояние Вселенной.
Откуда взялась Вселенная?
Человечество всегда ломало голову над загадкой происхождения Вселенной. Ученые считают, что Вселенная началась с так называемого «Большого взрыва», который произошел 10—20 млрд лет назад.
Вначале Вселенная представляла собой раскаленный сгусток очень плотного вещества, в котором пространство и время были неразделимы. В первые же мгновения после взрыва появилась гравитация.
Вселенная быстро расширялась и наполнялась субатомными частицами, которые сталкивались друг с другом и образовывали протоны и нейтроны. Спустя три минуты, когда температура снизилась, из протонов и нейтронов сформировались простейшие элементы — водород, гелий и литий.
Согласно теории «Большого взрыва», этот процесс занял около 500000 лет, а еще через 300 млн лет начали появляться звезды и галактики.
Родились и умерли бесчисленные сонмы звезд, пока наконец в нашей галактике, которая называется Млечный Путь, из облака пыли и газа не появилось наше Солнце и планеты Солнечной системы.
Находится ли Земля в центре Вселенной?
Древнегреческий философ Аристотель предположил, что небеса состоят из 55 концентрических хрустальных сфер, которые вращаются с разными скоростями и к которым прикреплены небесные объекты, причем в центре располагается Земля.
Люди верили в это почти 2000 лет, пока польский астроном Николай Коперник не выдвинул идею о том, что центром Солнечной системы является не Земля, а Солнце.
Согласно разработанной им так называемой гелиоцентрической системе, Земля является всего лишь одной из планет (третьей по счету от Солнца), а Луна вращается вокруг Земли, а не Солнца.
Астрономы не в состоянии рассмотреть в свои телескопы всю Вселенную, поэтому никто не знает, где находится ее истинный «центр».
Ученые полагают, что Вселенная началась с «Большого взрыва». Фоновое микроволновое излучение и инфракрасные лучи позволяют судить о том, как образовалась Вселенная и как она расширяется.
Прошлое вселенной
Любое исследование, любое наблюдение, будь то наблюдение ребенка за кошкой, физика - за тем, как расщепляется ядро атома, или астронома, следящего за невообразимо далекой галактикой,- все это наблюдения за Вселенной, вернее - за ее отдельными частями.
Каждая из этих частей является предметом изучения для естественных наук, а Вселенной как единым целым занимается космология - наука, возникшая на стыке астрономии и физики. Астрономические наблюдения позволили установить факт расширения Вселенной и точно определить ее возраст.
Двигаясь в прошлое, с помощью точных математических методов и физических теорий космологам удалось описать первоначальное состояние Вселенной и первые этапы ее существования, хотя многие процессы, происходившие в те отдаленные времена, не укладываются в рамки привычных физических законов.
Некоторые философы, ученые и религиозные деятели говорят о Большом Взрыве как о моменте «сотворения»
Вселенной, однако в наше время появляется все больше доводов в пользу того, что Вселенная никогда не возникала, а существовала вечно и будет существовать вечно,- изменяются лишь ее формы и проявления.
Сегодня главные усилия космологов-теоретиков и астрономов-наблюдателей сосредоточены на определении точных размеров Вселенной, на истории ее развития от первых мгновений после Большого Взрыва и до наших дней, на особенностях расширения Вселенной и установлении космологической шкалы расстояний.
Многое еще остается неясным и спорным, ведь почти вся информация о Вселенной, которая у нас есть сегодня, получена косвенным путем.
Поэтому такую огромную важность приобретают создание все более мощных средств наблюдения за объектами в удаленных частях мироздания и поиски подтверждений теоретических предположений ученых.
Вселенская инфляция
Речь не об обесценивании денег. Понятие инфляция происходит от латинского слова, в переводе означающего «вздутие». И если в экономике оно означает увеличение массы денег, находящихся в обращении, в космологии им обозначают начальную стадию расширения Вселенной.
В этот период температуры достигали невероятно высоких значений - чтобы только записать число градусов, пришлось бы воспользоваться единицей с 28 нулями, стремительно увеличивался объем пространства, а энергия в единице объема оставалась постоянной.
Для инфляционного расширения потребовался ничтожный промежуток времени - настолько ничтожный, что оно стало бы просто невозможным, если бы давление в «новорожденной» среде имело положительное значение.
Однако оно, согласно расчетам специалистов, было отрицательным - такое явление в обычных условиях не может существовать ни в газах, ни в жидкостях.
И представить его себе крайне трудно - при отрицательном давлении обычная гравитация, которую мы в обиходе называем «притяжением», вызывает отталкивание, что приводит к взрывоподобному расширению. Это и есть «инфляция», или «вздутие».
И снова «пуп мироздания»
Может показаться, что раз уж галактики «разбегаются» во все стороны от наблюдателя, находящегося на Земле, сам этот наблюдатель находится в самой середине мироздания. Неужели Земля и в самом деле занимает центральное место в огромной Вселенной?
На самом деле это не так. Исследование характера этого движения и его зависимости от расстояния показало, что галактики «разбегаются» и относительно друг друга.
То есть вся Вселенная в каждой своей точке находится в состоянии непрерывного расширения. Не такого, какое возникает при взрыве, когда осколки из одной точки разлетаются во все стороны. Попробуйте представить, что разлетаются не галактики, а пространство между галактиками. Получилось?
Если нет, то простейшей моделью может служить мыльный пузырь или медленно надуваемый резиновый воздушный шарик, на поверхность которого точками нанесено положение галактик. По мере того, как шарик раздувается, точки все дальше отходят одна от другой.
При этом они не движутся по направлению к чему-нибудь или от чего-нибудь. «Разбегание» происходит исключительно за счет расширения поверхности, на которую точки нанесены.
Представим себе существ, которые живут в мире, где существуют всего два измерения - длина и ширина. Вся их Вселенная - это поверхность.
И если бы они обитали на поверхности надуваемого шарика, то «надувание» и стало бы для них расширением Вселенной. Все расстояния увеличиваются, а центра расширения, который могли бы увидеть «двумерные» наблюдатели, в их Вселенной нет.
Еще одна особенность такого мира: в каком бы направлении ни отправились двухмерные существа, они никогда не смогут достигнуть границы своей Вселенной - ее просто не существует, хотя площадь поверхности шарика имеет конечную величину и измеряется конкретным числом квадратных сантиметров.
Так конечное может стать безграничным и бесконечным.
Может ли Вселенная сжаться?
В соответствии с теорией «Большого сжатия», в какой-то момент вся материя изменит направление движения на противоположное и Вселенная сожмется в сгусток, с которого она началась.
По другой теории, расширение Вселенной будет замедляться до тех пор, пока почти не остановится, после чего размер Вселенной будет оставаться практически неизменным.
Существует ли сжимающаяся Вселенная?
С момента Большого Взрыва Вселенная начала расширяться. Затем образовались звезды, галактики, туманности и планеты. Расширение происходит до сих пор.
До последнего времени преобладала точка зрения, согласно которой нет никаких способов «заглянуть» за сингулярность.
Однако среди астрономов нашлись «инакомыслящие», которые полагают, что по всей нашей Вселенной рассеяны следы, подтверждающие существование Вселенной... по ту сторону Большого Взрыва.
Разработана даже математическая модель Вселенной, которая существовала до нашей Вселенной, но, в отличие от нее, была «сжимающейся». Достигнув сверхплотного состояния, она «вспыхнула» в Большом Взрыве, породив нашу Вселенную.
Только вперед?
Модель расширяющейся Вселенной описывает сам процесс ее расширения, не задаваясь вопросом: когда и почему Вселенная начала расширяться.
Еще более интересен вопрос: а не сменится ли рано или поздно ее расширение сжатием? Теоретически это вполне возможно, но зависит от определенных условий. Прежде всего - от средней плотности вещества, которое сейчас продолжает разлетаться.
Если эта плотность достаточно велика, то в конце концов силы гравитации одолеют инерцию разлета галактик, и начнется сжатие. Если мала - их «разбегание» будет продолжаться бесконечно.
Общая масса видимого вещества нашей Вселенной была подсчитана, и оказалось, что ее недостаточно, чтобы остановить расширение. Но ведь есть еще и «темная материя», общее количество которой оценить гораздо труднее.
Вселенная на карте и в моделях
Если нанести на карту небесной сферы не звезды, а известные на сегодняшний день астрономам галактики, образуется картина, совершенно не похожая на звездные карты с их созвездиями.
За редкими исключениями, никакой концентрации галактик в виде «полос» или «сгущений» мы не увидим. В то же время не получится и сплошное поле, равномерно покрытое точками, изображающими галактики.
Перед нами предстанет нечто вроде сети из отдельных точек, образующих «узлы» и «волокна», между которыми останутся участки, практически не содержащие точек. И что интересно - размеры «ячеек» этой сети практически одинаковы по всей небесной сфере.
Нельзя сказать, что галактики распределены по всей Вселенной равномерно. Если подсчитать количество галактик в каждом «кубике» размером в 5 млн световых лет, то оно окажется различным. В большинстве таких «кубиков» галактик не окажется вообще.
Но если «вырезать» в любом месте Вселенной куб со стороной 500 млн световых лет, то в нем окажется примерно одинаковое количество галактик. Поэтому, говоря об однородности наблюдаемой Вселенной, имеют в виду однородность в самом крупном масштабе.
Четыре измерения Вселенной
Когда мы назначаем встречу с кем-то, мы часто говорим: встречаемся на девятом этаже здания на углу проспекта Победы и улицы Ахсарова. Но чтобы встреча произошла, следует указать еще и ее время. Пусть это будет десять утра.
Выходит, нужны четыре элемента информации, чтобы описать любое событие, в том числе и во Вселенной. В нашем случае это проспект Победы, улица Ахсарова, девятый этаж, десять часов утра. Три элемента указывают на положение в пространстве, один - во времени.
Наша Вселенная имеет три пространственных измерения и одно временное. А что, если измерений у Вселенной много? Сколько измерений теоретически может иметь Вселенная?
Существует немало теорий о том, как устроена Вселенная. Некоторые ученые считают, что наша Вселенная - это всего лишь часть огромного множества других Вселенных, которые все вместе называются Мультивселенной.
В каждой из Вселенных, входящих в такое множество, действуют различные физические законы, и даже скорость света в них отличается.
Каковы размеры нашей Вселенной?
Мы уже знаем, что наша Вселенная имела «начало» - Большой Взрыв, который произошел около 13,7 млрд лет назад. Следовательно, она не бесконечна и должна иметь определенную пространственную протяженность.
Ученые оценивают протяженность нашей Вселенной в 13 млрд световых лет.
И это как минимум, потому что самый далекий из зарегистрированных космических сигналов - мощный всплеск гамма-излучения - достиг границ Солнечной системы именно с такого расстояния.
Как велика Вселенная?
Никто так и не знает, насколько велика Вселенная. Вселенная — это весь окружающий нас бесконечный мир: планеты, луны, звезды и галактики. В пределах видимой Вселенной находится свыше 100 млрд галактик, то есть обширных скоплений звезд.
Число звезд в галактиках различно, но каждая галактика состоит, вероятно, из миллиардов звезд. Да, нечего сказать, велика наша Вселенная!
Где у Вселенной горизонт?
Мы не знаем, каков истинный размер нашей Вселенной, потому что не можем заглянуть за ее «горизонт». А космическим горизонтом для нас является то расстояние, которое свет может «пролететь» в межзвездной пустоте за то время, которое прошло со времени Большого взрыва.
Древнегреческий философ Демокрит, живший 25 веков назад, первым предположил, что все вещество во Вселенной состоит из атомов (он называл их «вечные начала»), сама Вселенная бесконечна и в ней имеется множество обитаемых миров, подобных нашей Земле.
Сколько лет Вселенной?
Звездные скопления, галактики, и другие космические тела продолжают разлетаться до сих пор. Правда, гораздо медленнее, чем сразу после Большого взрыва. Значит, Вселенная расширяется.
Возможно, скорость ее расширения будет уменьшаться из-за сил гравитационного взаимодействия между галактиками.
Закономерен вопрос: сколько лет Вселенной? Большой взрыв произошел 15 млрд лет назад, а 10 млрд лет назад начали возникать огромные шарообразные скопления газа.
Поначалу они были такими же холодными, как и окружающее космическое пространство. Но со временем эти газовые шары начали вращаться, становясь все плотнее, температура внутри них постепенно повышалась, пока во тьме Вселенной не вспыхнули первые, еще неяркие, звезды.
Очень большая структура
Уже в начале 20 в. стало известно, что звезды группируются в звездные скопления, которые, в свою очередь, образуют галактики. Позже были обнаружены скопления и сверхскопления галактик.
Изучая распределение звезд и звездных скоплений по небесной сфере, астрономы давно обнаружили, что оно неоднородно.
Так, почти все близкие шаровые скопления группировались в области с центром в созвездии Стрельца, а плотность «звездного населения» нашей Галактики увеличивалась в плоскости ее диска и по мере приближения к ядру.
Но в больших масштабах - порядка 1 млрд световых лет - оказалось, что Вселенная почти однородна, и новых уровней космической иерархии, открытия которых все ожидали, не существует.
Листовая и ячеистая структура Вселенной
Вопрос о крупномасштабной структуре Вселенной - один из самых сложных в космологии и астрофизике. Многое здесь пока неясно, существует множество теорий, часто противоположных одна другой.
По самым современным представлениям, Вселенная представляет собой совокупность довольно плоских «листов», разделенных областями, в которых практически нет светящейся материи. Эти области (их называют войдами - от английского слова voids - «пустоты») имеют размер порядка 500 млн световых лет.
Первым «листом», который удалось обнаружить астрономам, стала так называемая Великая Стена, находящаяся в 200 млн световых лет от нас.
Это видимая «сверху» блиноподобная структура из галактик, располагающаяся на расстоянии примерно 200 млн световых лет от нас и имеющая 300 млн световых лет в ширину и 15 млн световых лет «в толщину». Этот «суперобъект» был открыт совсем недавно - в 1989 г.
До сих пор полностью не известны его истинные размеры, так как облака пыли и газа Млечного Пути закрывают от нас часть Великой стены.
Астрономы считают, что такие структуры, как Великая стена, представляют собой смесь «темной» и нормальной материи, причем именно «темная материя» определяет структуру Вселенной на самых больших масштабах.
Еще один грандиозный «лист» - Великая Стена Слоуна. Это огромная группа галактик, расположенная на расстоянии 1 млрд световых лет от Земли и простирающаяся на 1,37 млрд световых лет. Великая Стена Слоуна почти в три раза больше Великой стены, которая до начала 21 в. считалась рекордсменом по протяженности.
Практически весь свет во Вселенной сосредоточен в «узлах» и «волокнах» ее ячеистой структуры. В узлах располагаются сверхскопления галактик, а в войдах на первый взгляд пусто.
Однако компьютерное моделирование показало, что каждый войд похож на Вселенную в миниатюре - его наполняет «темная материя», которая образует такую же структуру с волокнами и войдами.
Кроме того, там блуждает немало карликовых тусклых галактик, которые мы просто не видим, и газовых облаков, которые так и не превратились в галактики.
Ячеистая структура видимой Вселенной возникла во времена, непосредственно следующие за Большим Взрывом. Каким бы ни было состояние материи в тот момент, в ней неизбежно должны были возникнуть неоднородности - флуктуации.
Такие неоднородности возникали повсюду, а расширение Вселенной приводило к росту ячеек и уплотнению «узлов». Анализ этого процесса с помощью компьютеров показал, что для этого не требовалось ничего, кроме сил тяготения, которые присущи всем телам, обладающим массой.
Кто сотворил мир?
У всех народов Земли в прошлом существовали мифы и сказания о происхождении Вселенной. И все они имеют сходство между собой.
Большинство таких мифов начинаются с описания хаоса - беспорядочного смешения всех стихий, а затем рассказывается о том, как появилась сила, которая установила порядок, создала светила, Землю и все живое, в том числе и людей.
Этой силой, как правило, были древнейшие божества, носившие у каждого народа свое имя.
Научные основы исследования Вселенной
К рубежу 19-20 вв. астрономы накопили достаточно наблюдений и открыли основные законы движения небесных тел. Как и во всякой настоящей науке, наступила пора осмысления результатов.
Стало совершенно очевидно: то, что мы видим на небе, не появилось из ничего - а значит, Вселенная имеет свою историю. Как, когда и почему она возникла, какие этапы прошла в своем развитии, как выглядела в прошлом и что было до Большого Взрыва?
Истину о Вселенной люди искали и тогда, когда Солнце и Луна считались богами, и в эпоху Просвещения, когда гениальный философ и исследователь природы Иммануил Кант выдвинул гипотезу происхождения Солнечной системы, во многом основываясь на интуитивных догадках и размышлениях, и в начале 20 в., когда астрономы, вооружившись теорией относительности и квантовой механикой, осуществили прорыв в прошлое нашего мироздания.
Эти поиски продолжаются и в наши дни, когда неизмеримо расширился арсенал средств и инструментов познания, используемых астрономами.
Одним из важнейших принципов современной науки является историзм. Нет, речь здесь не об истории как науке, занимающейся прошлым человеческого общества, письменными источниками и археологическими артефактами. В области естественных наук историзм проявился в первую очередь в биологии и геологии.
Так, геологи установили последовательность смены и длительность геологических эпох в жизни нашей планеты, разработали способы датировки слоев горных пород по содержанию в них радиоактивных элементов и продуктов их распада.
Исследуя живые организмы, биологи уже в середине 19 в. поняли, что любое явление в этой области необходимо рассматривать как результат длительного развития природной среды.
Основополагающий труд выдающегося ученого Чарльза Дарвина (1809-1882 гг.) недаром носит название «Происхождение видов» и посвящен эволюции животных и растений вместе с природной средой и под действием ее изменения.
В 20 в. стало окончательно ясно и то, что человек - результат длительной эволюции органической материи, имеющей свою историю.
Наша планета и ее прошлое доступны исследованию. Другое дело - небесные тела и Вселенная в целом. Гигантские расстояния и огромные промежутки времени, в сравнении с которыми вся история человеческой цивилизации - лишь краткий миг, делают эту задачу невероятно сложной.
И все-таки пытливый ум исследователей сумел обнаружить в ныне существующей Вселенной следы ее прошлого. Эти сведения приходится собирать по крупицам.
Мы не можем наблюдать жизнь отдельной звезды, которая длится миллиарды лет, но видим огромное количество звезд, которые находятся на разных этапах существования - молодых, находящихся на главной последовательности, стареющих и полностью израсходовавших запас энергии.
Это помогает выстроить достоверную «биографию» звезды.
Однако планетная система нам хорошо известна только одна - наша собственная, хотя и другие звезды нередко окружают газопылевые диски, из которых наверняка впоследствии образуются планеты. Наблюдая за тем, что в них происходит, мы как бы возвращаемся в прошлое Солнечной системы.
Главный источник наших сведений о мире небесных тел - свет. Он приходит к нам, преодолевая бездны открытого космоса. И хотя скорость света очень велика, она конечна, а значит, требуется некоторое время, чтобы свет достиг Земли.
Для планет Солнечной системы это время измеряется минутами или даже часами, но для далеких галактик - сотнями миллионов и миллиардами лет. Поэтому мы видим их такими, какими они были в отдаленном прошлом.
В наши дни астрономы окончательно убедились в том, что в любом уголке Вселенной действуют одни и те же физические законы, которые можно описать одними и теми же математическими уравнениями.
Больше того - очень вероятно, что эти же законы действовали и в далеком прошлом, когда Вселенная была гораздо «моложе» и в ней существовали совсем иные условия.
Такая уверенность позволяет ученым создавать модели поведения больших и малых космических объектов, включая и периоды их возникновения. Эти модели опираются на известные физические законы, и нередко новые результаты астрономических наблюдений подтверждают их обоснованность и точность.
|