Что есть вселенная на самом деле. Наша Вселенная: это «Простейшее», что мы знаем

Теперь, очевидно, Вселенная не всегда продолжала расширяться таким образом, потому что мы ведь здесь, а значит инфляция должна была завершиться и дать начало Большому Взрыву. Можно представить, что инфляция начинается на вершине плоского холма и подобно шару медленно катится вниз. Пока шар остается возле вершины и медленно катится, инфляция продолжается, а Вселенная расширяется экспоненциально. Как только шар скатывается вниз в долину, инфляция завершается, а энергия рассеивается. Энергия, присущая самому пространству, преобразуется в материю и излучение. Мы переходим из состояния инфляции в Большой Взрыв.

• Инфляция - это не шар, не классическое поле - а скорее волна, которая распространяется с течением времени, подобно квантовому полю.
• Это значит, что по мере течения времени, когда образуется все больше и больше пространства из-за инфляции, определенные области, вероятно, наблюдают конец инфляции, а другие - ее продолжение.
• Области, в которых инфляция завершилась, дают начало Большому Взрыву и нашей Вселенной; в других же инфляция продолжается.
• Со временем, из-за динамики расширения, никакие две области, в которых инфляция завершилась, не смогут взаимодействовать или столкнуться. Между ними будут области с продолжающейся инфляцией, которые будут расталкивать первые.

Стоит отметить, что мы знаем не так много об этом инфляционном состоянии, поэтому сталкивается с множеством неопределенностей и возможностей:

• Мы не знаем, сколько длилось инфляционное состояние до того, как завершилось и привело к Большому Взрыву. Вселенная может быть либо ненамного больше той, что мы видим, либо намного больше, либо вообще бесконечной.
• Мы не знаем, одинаковы ли области, в которых инфляция завершилась, или же сильно отличаются от нашего собственного. Вполне вероятно, что существует неизвестная физическая динамика, которая приводит к тому, что все фундаментальные константы - массы частиц, силы взаимодействий, количество темной энергии - одинаковы для всех областей, где завершилась инфляция. Также возможно, что в разных областях будет разная физика.

И если эти вселенные все одинаковы, говоря о законах физики, и число этих вселенных воистину бесконечно, и многомировая интерпретация квантовой механики вполне справедлива, значит ли это, что существуют параллельные вселенные, в которых все происходило точно так же, как в нашей Вселенной, не считая одного крошечного квантового результата?


В других мирах все могло происходить точно так же, как и в нашем, не считая одной крошечной детали, из-за которой ваша жизнь пошла совершенно другим путем…

• Когда вы выбрали работу за океаном, а не остались в стране?
• Когда вы заступились за девушку и не дали ее в обиду?
• Когда вы поцеловали ее на прощание, а не дали просто уйти?
• Когда в какой-то поворотный момент что-то не позволило вам ее потерять?

Просто вдумайтесь: что, если существует Вселенная на каждый из возможных исходов событий? Если вероятность существования такой Вселенной не нулевая, а число таких миров бесконечно, значит все возможно? Только для этого должно произойти много «если». Инфляционное состояние должно было оставаться не просто долгим, а бесконечным.

Если Вселенная расширялась экспоненциально - не только в течение крошечной доли секунды, а в течение 13,8 миллиарда лет (это около 4 х 10 17 секунд) - мы имеем дело с гигантским объемом пространства. В конце концов, несмотря на то что существуют области пространства, где инфляция завершилась, большая часть объема Вселенной представлена областями, в которых инфляция не завершилась. То есть, мы говорим минимум о 10 10^50 вселенных, которые начали с таких же условий, что и наша собственная. Это 10¹⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰ вселенных. Довольно большое число. И числа, описывающие число возможных исходов взаимодействий частиц, будут еще больше.

В каждой Вселенной 10 90 частиц, и нам нужно, чтобы все они прошли точно такую же историю 13,8 миллиарда лет, чтобы дать нам идентичную нашей Вселенную. Для Вселенной с 10 90 квантовыми частицами, которые будут взаимодействовать между собой 13,8 миллиардов лет в 10 10^50 возможных вариациях… Число, которое вы видите выше, например, это просто 1000! (или (10 3)!), факториал 1000, который описывает число возможных перестановок для 1000 различных частиц в любое конкретное время. Представьте, насколько больше число (10 3)!, чем (10 1000). (10 3)! - это почти 10 2477 .

Факториал тысячи: все числа от 1 до 1000, перемноженные между собой

Но во Вселенной не 1000 частиц, а 10 90 . Каждый раз, когда две частицы взаимодействуют, результат не один - целый квантовый спектр результатов. Во Вселенной много больше возможных результатов, чем (10 90)!, и это число на много гуголплексов больше, чем ничтожные 10 10^50 .

Другими словами, число возможных исходов взаимодействия частиц в любой вселенной стремится к бесконечности быстрее, чем увеличивается число возможных вселенных из-за инфляции. Даже если отложить в сторону такие вопросы, что может быть бесконечное число возможных значений фундаментальных констант, частиц и взаимодействий, и даже отложить вопросы интерпретации, например, описывает ли многомировая интерпретация нашу физическую реальность, факт в том, что число возможных исходов возрастает настолько быстро - намного быстрее, чем просто в геометрической прогрессии - что если инфляция на самом деле будет протекать бесконечно, не будет ни одной параллельной вселенной, идентичной нашей.

Это значит, что может существовать огромное количество Вселенных, с другими законами и прочим. Но их недостаточно, чтобы дать нам альтернативные версии самих себя. Что это значит для вас?

Что нет другой копии вас нигде в мире. И нет будущего, которое за вас выберет кто-то другой. Поэтому проживите эту жизнь так, как ее не прожил бы никто другой во всех параллельных вселенных.

Что находится за пределами Вселенной? Этот вопрос слишком сложный для человеческого понимания. Это связано с тем, что в самую первую очередь необходимо определить ее границы, а это далеко не просто.

Общепринятый ответ учитывает только наблюдаемую Вселенную. Согласно ему размеры определяются скоростью света, потому что возможно видеть только свет, который излучают или отражают объекты в космосе. Невозможно заглянуть дальше, чем наиболее отдаленный свет, который путешествует все время существования Вселенной.

Пространство продолжает увеличиваться, но все еще конечно. Его размер иногда упоминается как объем или сфера Хаббла. Человек во Вселенной, вероятно, никогда не сможет узнать, что за пределами ее границ. Так что для всех исследований это единственное пространство, с которым когда-либо придется взаимодействовать. По крайней мере, в ближайшее время.

Величие

Всем известно, что Вселенная велика. На сколько миллионов световых лет она простирается?

Астрономы тщательно изучают космическое излучение микроволнового фона - послесвечения Большого взрыва. Они ищут связь между тем, что происходит на одной стороне неба, и тем, что на другой. И пока нет никаких доказательств, что там есть что-то общее. Это означает, что на протяжении 13,8 миллиардов лет в любом направлении Вселенная не повторяется. Столько нужно времени свету, чтобы он достиг хотя бы видимого края этого пространства.

Нас все еще волнует вопрос, что находится за пределом Вселенной, которую можно наблюдать. Астрономы допускают, что космос бесконечен. «Вещество» в нем (энергия, галактики и т. д.) распределено точно таким же образом, как и в наблюдаемой Вселенной. Если это действительно так, тогда появляются разные аномалии того, что находится на краю.

За пределами объема Хаббла расположено не просто больше разных планет. Там можно найти вообще все, что только может существовать. Если продвинуться достаточно далеко, можно даже найти другую солнечную систему с Землей, идентичной во всех отношениях, за исключением того, что у вас была на завтрак каша вместо яичницы. Или завтрак отсутствовал вовсе. Или, допустим, вы встали пораньше и ограбили банк.

На самом деле космологи считают, что, если пройти достаточно далеко, то можно найти еще одну сферу Хаббла, которая совершенно идентична нашей. Большинство ученых считают, что известная нам Вселенная имеет границы. Что за их пределом, остается величайшей загадкой.

Космологический принцип

Это понятие означает, что независимо от места и направления наблюдателя, каждый видит одну и ту же картину Вселенной. Разумеется, это не относится к исследованиям меньшего масштаба. Такая однородность пространства вызвана равноправием всех его точек. Обнаружить это явление можно лишь в масштабах скопления галактик.

Что-то, сродни этому понятию было впервые предложено сэром Исааком Ньютоном в 1687 году. И впоследствии, в 20 веке, это же было подтверждено наблюдениями других ученых. Логично, если все возникло из одной точки Большого взрыва, а затем расширилось до Вселенной, то будет оставаться довольно однородным.

Расстояние, на котором можно наблюдать за космологическим принципом, чтобы найти это очевидное равномерное распределение материи, занимает примерно 300 миллионов световых лет от Земли.

Однако все изменилось в 1973 году. Тогда была обнаружена аномалия, нарушающая космологический принцип.

Великий аттрактор

Огромная концентрация массы обнаружилась на расстоянии 250 миллионов световых лет, близ созвездий Гидры и Центавра. Ее вес настолько велик, что его можно было бы сравнить с десятком тысяч масс Млечных Путей. Эта аномалия считается галактическим сверхскоплением.

Этот объект получил название Великий аттрактор. Его гравитационная сила настолько сильна, что воздействует на другие галактики и их скопления в течение нескольких сотен световых лет. Он долгое время оставался одной из самых больших тайн космоса.

В 1990 г. было обнаружено, что движение колоссальных скоплений галактик, называющихся Великим аттрактором, стремится к другой области космоса - за край Вселенной. Пока что за этим процессом можно наблюдать, хотя сама аномалия находится в «зоне избегания».

Темная энергия

Согласно Закону Хаббла, все галактики должны двигаться равномерно друг от друга, сохраняя космологический принцип. Однако в 2008 г. появилось новое открытие.

Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) обнаружил большую группу кластеров, которые двигались в одном направлении со скоростью до 600 миль в секунду. Все они держали путь к небольшой области неба между созвездиями Центавра и Паруса.

Этому нет никакой очевидной причины, и, поскольку это было необъяснимое явление, его назвали «темной энергией». Она вызвана чем-то вне пределов наблюдаемой Вселенной. В настоящее время есть только догадки о ее природе.

Если скопления галактик тянутся к колоссальной черной дыре, то их движение должно ускоряться. Темная энергия указывает на постоянную скорость космических тел в миллиарды световых лет.

Одна из возможных причин этого процесса - массивные структуры, что находятся за пределами Вселенной. Они оказывают огромное гравитационное влияние. Внутри наблюдаемой Вселенной нет гигантских структур с достаточной гравитационной тяжестью, чтобы вызвать это явление. Но это не значит, что они не могли существовать за пределами наблюдаемой области.

Это означало бы, что устройство Вселенной не является однородным. Что касается самих структур, они могут быть буквально любыми, от агрегатов материи и до энергии в масштабах, которые едва можно представить. Возможно даже, что это направляющие гравитационные силы из других Вселенных.

Бесконечные пузыри

Говорить о чем-то за пределами сферы Хаббла не совсем верно, так как это по-прежнему имеет идентичное устройство Метагалактики. «Неизвестность» имеет те же физические законы Вселенной и константы. Есть версия, что Большой взрыв вызвал появление пузырей в структуре пространства.

Сразу после него, до момента начала инфляции Вселенной, возникла своего рода «космическая пена», существующая как скопление «пузырей». Один из объектов этого вещества внезапно расширился, со временем став Вселенной, известной сегодня.

Но что получилось из других пузырей? Александр Кашлинский - глава команды НАСА, организации, которая обнаружила «темную энергию», - заявил: «Если отдалиться на достаточно большое расстояние, то можно увидеть структуру, которая находится вне пузыря, за пределами Вселенной. Эти структуры должны вызвать движение».

Таким образом, «темная энергия» воспринимается как первое свидетельство существования другой Вселенной, или даже «Мультивселенной».

Каждый пузырь - это область, которая перестала растягиваться вместе с остальной частью пространства. Она сформировала свою собственную Вселенную со своими особыми законами.

В этом сценарии пространство бесконечно, и каждый пузырь также не имеет границ. Даже если можно нарушить рубеж одного из них, пространство между ними все еще расширяется. Со временем будет невозможно добраться до следующего пузыря. Такое явление до сих пор остается одной из величайших тайн космоса.

Черная дыра

Теория, предложенная физиком Ли Смолином, предполагает, что каждый подобный космический объект в устройстве Метагалактики вызывает образование нового. Стоит только представить сколько черных дыр во Вселенной. Внутри каждой действуют физические законы, отличные от тех, что были у предшественника. Подобная гипотеза была впервые изложена в 1992 году в книге «Жизнь Космоса».

Звезды во всем мире, которые попадают в черные дыры, сжимаются до невероятно экстремальной плотности. В таких условиях это пространство взрывается и расширяется до собственной новой Вселенной, отличной от оригинала. Точка, где время останавливается внутри черной дыры, - это начало Большого взрыва новой Метагалактики.

Экстремальные условия внутри разрушенной черной дыры приводят к небольшим случайным изменениям основных физических сил и параметров в дочерней Вселенной. У каждого из них есть отличные от родительской характеристики и показатели.

Существование звезд является предпосылкой для формирования жизни. Это связано с тем, что углерод и другие сложные молекулы, обеспечивающие жизнь, создаются именно в них. Поэтому для формирования существ и Вселенной нужны одни и те же условия.

Критика космического естественного отбора как научной гипотезы заключается в отсутствии прямых доказательств на данном этапе. Но следует иметь в виду, что с точки зрения убеждений он не хуже, чем предлагаемые научные альтернативы. Нет подтверждений того, что находится за пределами Вселенной, будь это Мультивселенная, теория струн или циклическое пространство.

Множество параллельных Вселенных

Эта идея кажется чем-то, что мало относится к современной теоретической физике. Но мысль о существовании Мультиверса уже давно считается научной возможностью, хотя все еще вызывает активные дискуссии и деструктивные споры среди физиков. Этот вариант полностью разрушает представление о том, сколько Вселенных в космосе.

Важно иметь в виду, что Мультиверс не теория, а скорее следствие современного понимания теоретической физики. Это отличие имеет решающее значение. Никто не махнул рукой и не сказал: «Пусть будет Мультивселенная!». Эта идея была получена из текущих учений, таких как квантовая механика и теория струн.

Мультиверс и квантовая физика

Многим известен мысленный эксперимент «Кот Шредингера». Его суть заключается в том, что Эрвин Шредингер, австрийский физик-теоретик, указывал на несовершенство квантовой механики.

Ученый предлагает представить животное, которое поместили в закрытую коробку. Если открыть ее, можно узнать одно из двух состояний кота. Но пока коробка закрыта, животное либо живое, либо мертвое. Это доказывает то, что не существует состояния, сочетающего жизнь и смерть.

Все это кажется невозможным просто потому, что человеческое восприятие не может этого осознать.

Но это вполне реально в соответствии со странными правилами квантовой механики. Пространство всех возможностей в ней огромно. Математически квантовомеханическое состояние представляет собой сумму (или суперпозицию) всех возможных состояний. В случае «Кота Шредингера», эксперимент представляет собой суперпозицию «мертвых» и «живых» положений.

Но как это интерпретировать, чтобы оно имело какой-либо практический смысл? Популярный способ состоит в том, чтобы думать обо всех этих возможностях так, что единственным «объективно истинным» состоянием кота является - наблюдаемый. Однако можно также согласиться с тем, что эти возможности верны и все они существуют в разных Вселенных.

Теория струн

Это самая перспективная возможность объединить квантовую механику и гравитацию. Это трудно, потому что сила тяготения так же неописуема в небольших масштабах, как и атомы и субатомные частицы в рамках квантовой механики.

Но теория струн, в которой говорится, что все фундаментальные частицы состоят из мономерных элементов, описывает сразу все известные силы природы. К ним относят гравитацию, электромагнетизм и ядерные силы.

Однако для математической теории струн требуется не менее десяти физических измерений. Мы можем наблюдать только четыре измерения: высоту, ширину, глубину и время. Поэтому дополнительные измерения от нас скрыты.

Чтобы иметь возможность использовать теорию для объяснения физических явлений, эти дополнительные исследования «уплотнены» и слишком малы в небольших масштабах.

Проблема или особенность теории струн заключается в том, что существует много способов произвести компактификацию. Каждая из них приводит к созданию Вселенной с различными физическими законами, такими как отличные массы электронов и константы силы тяжести. Однако есть также серьезные возражения против методологии компактификации. Поэтому проблема не совсем решена.

Но возникает очевидный вопрос: в какой из этих возможностей мы живем? Теория струн не обеспечивает механизм определения этого. Она делает ее бесполезной, поскольку не представляется возможным ее досконально протестировать. Но исследование края Вселенной превратило эту ошибку в особенность.

Последствия Большого взрыва

Во время самого раннего устройства Вселенной был период ускоренного расширения, называемый инфляцией. Первоначально она объясняла, почему сфера Хаббла почти однородна по температуре. Однако инфляция также предсказала спектр флуктуаций температуры вокруг этого равновесия, который позднее был подтвержден несколькими космическими аппаратами.

Хотя точные детали теории все еще горячо обсуждаются, инфляция широко принимается физиками. Однако следствие этой теории состоит в том, что должны быть другие объекты во Вселенной, которые все еще ускоряются. Из-за квантовых флуктуаций пространства-времени некоторые ее части никогда не достигнут конечного состояния. Это означает, что пространство будет вечно расширяться.

Этот механизм генерирует бесконечное количество Вселенных. Комбинируя этот сценарий с теорией струн, есть вероятность, что каждая из них обладает другой компактификацией дополнительных размеров и, следовательно, имеет разные физические законы Вселенной.

Согласно учению Мультиверс, предсказанному теорией струн и инфляцией, все Вселенные живут в одном и том же физическом пространстве и могут пересекаться. Они неизбежно должны сталкиваться, оставляя следы в космическом небе. Их характер имеет широкий спектр - от холодных или горячих точек на космическом микроволновом фоне до аномальных пустот в распределение галактик.

Поскольку столкновение с другими Вселенными должно происходить в определенном направлении, ожидается, что любые вмешательства нарушают однородность.

Некоторые ученые ищут их через аномалии в космическом микроволновом фоне, послесвечении Большого Взрыва. Другие в гравитационных волнах, которые рябят в пространстве-времени по мере прохождения массивных объектов. Эти волны могут непосредственно доказывать существование инфляции, которая в конечном итоге усиливает поддержку теории Мультивселенной.

2.2. Расширяется ли Вселенная на самом деле?

Размышляя над всей этой историей, я исходил из предпосылки, что истиной, какой бы невероятной она ни казалась, является то, что останется, если отбросить все невозможное. Не исключено, что это оставшееся допускает несколько объяснений. В таком случае необходимо проанализировать каждый вариант, пока не останется один, достаточно убедительный.

Артур Конан Дойл

Почему все так уверены, что Вселенная действительно расширяется? В научной литературе реальность расширения уже почти не обсуждается, так как профессиональные ученые, знающие проблему во всей ее полноте, в этом практически не сомневаются. Активные обсуждения этого вопроса часто вспыхивают на разного рода интернет-форумах, где представители так называемой «альтернативной науки» (в противовес «ортодоксальной») снова и снова пытаются «изобрести велосипед» и найти другое, не связанное с удалением объектов, объяснение наблюдаемому в спектрах галактик красному смещению. Такие попытки, как правило, основаны на незнании того, что, помимо красного смещения, есть и другие свидетельства в пользу реальности космологического расширения. Строго говоря, стационарность Вселенной была бы гораздо большей проблемой для науки, чем ее расширение!

Современная наука представляет собой плотно сотканную ткань взаимосвязанных результатов или, если угодно, постоянно строящееся здание, из основания которого уже нельзя вытащить ни один из кирпичей без того, чтобы все здание не рухнуло. Расширение Вселенной и созданная на его основе картина строения и эволюции Вселенной и составляющих ее объектов – один из таких базовых результатов современной науки.

Но сначала несколько слов о недоплеровской интерпретации красного смещения. Вскоре после открытия зависимости z от расстояния возникла – и это вполне естественно – идея, что красное смещение может быть связано не с удалением объектов, а с тем, что по пути от далеких галактик часть энергии фотонов теряется и, следовательно, длина волны излучения увеличивается, оно «краснеет». Приверженцами такой точки зрения были, к примеру, один из основоположников астрофизики в России А. А. Белопольский, а также Фриц Цвикки – один из самых нестандартно мыслящих и плодотворных астрономов XX века. К подобному объяснению z время от времени склонялся и сам Хаббл. Вскоре, однако, выяснилось, что подобные процессы потери энергии фотонами должны сопровождаться размыванием изображений источников (чем дальше галактика, тем сильнее размытие), что не наблюдалось. Другой вариант этого сценария, как было показано советским физиком М. П. Бронштейном, предсказывал, что эффект покраснения должен быть разным в разных частях спектра, то есть он должен зависеть от длины волны. К началу 60-х годов XX века развитие радиоастрономии закрыло и эту возможность – для данной галактики величина красного смещения оказалась не зависящей от длины волны. Знаменитый советский астрофизик В. А. Амбарцумян еще в 1957 году резюмировал ситуацию с разными вариантами интерпретации красного смещения таким образом: «Все попытки объяснить красное смещение каким-либо механизмом, отличным от принципа Доплера, окончились неудачей. Эти попытки вызывались не столько логической или научной необходимостью, сколько известным страхом… перед грандиозностью самого явления…».

Рассмотрим теперь несколько наблюдательных тестов, поддерживающих картину глобального космологического расширения Вселенной. Первый из них был предложен еще в 1930 году американским физиком Ричардом Толменом. Толмен обнаружил, что так называемая поверхностная яркость объектов будет вести себя по-разному в стационарной и в расширяющейся Вселенной.

Поверхностная яркость – это просто энергия, излучаемая единицей площади объекта в единицу времени (например, за секунду) в каком-нибудь направлении или, более точно, в единице телесного угла. В стационарной Вселенной, в которой причиной красного смещения является какой-то неизвестный закон природы, приводящий к уменьшению энергии фотонов по пути к наблюдателю («старение» или «усталость» фотонов), поверхностная яркость объекта должна уменьшаться пропорционально величине 1 + z . Это означает, что, если галактика находится на таком расстоянии, что для нее z = 1, то она должна выглядеть в два раза тусклее по сравнению с такими же галактиками вблизи нас, то есть при z = 0.

В расширяющейся Вселенной зависимость яркости (имеется в виду болометрическая, то есть полная, просуммированная по всему спектру, яркость) от красного смещения становится гораздо сильнее – она спадает как (1 + z )4. В этом случае объект с z = 1 будет выглядеть уже не в 2, а в 16 раз более тусклым. Причиной столь сильного падения яркости является то, что, помимо уменьшения энергии фотонов из-за красного смещения, при реальном удалении галактик начинают работать дополнительные эффекты. Так, каждый новый фотон, испускаемый далекой галактикой, будет добираться до наблюдателя с все большего расстояния и тратить на дорогу все большее время. Интервалы между приходами фотонов возрастут и, значит, за единицу времени на приемник излучения будет попадать меньше энергии и наблюдаемая нами галактика будет казаться слабее. Кроме того, в случае реального расширения зависимость углового размера галактики от z будет другой, чем для стационарной Вселенной, что также приводит к изменению ее наблюдаемой поверхностной яркости.

Тест Толмена выглядит очень простым и наглядным – действительно, достаточно взять два сходных объекта на разных красных смещениях и сравнить их яркости. Однако технические сложности его осуществления таковы, что применить этот тест смогли лишь относительно недавно – в девяностых годах XX века. Сделал это ученик и последователь Хаббла знаменитый американский астроном Алан Сендидж . Совместно с разными коллегами Сендидж опубликовал целую серию статей, в которых он рассмотрел тест Толмена для далеких эллиптических галактик.

Эллиптические галактики примечательны тем, что они относительно просто устроены. В первом приближении их можно представить как гигантские конгломераты родившихся практически одновременно звезд, имеющие сглаженное, без каких-либо особенностей, крупномасштабное распределение яркости (ярчайшие галактики на рис. 16 относятся как раз к этому типу). У эллиптических галактик существует простое эмпирическое соотношение, связывающие воедино их основные наблюдательные характеристики – размер, поверхностную яркость и разброс скоростей звезд вдоль луча зрения. (При определенных допущениях это соотношение является следствием предположения об устойчивости эллиптических галактик.) Разные двумерные проекции этой трехпараметрической зависимости также показывают хорошую корреляцию например, существует зависимость между размером и яркостью галактик. Значит, сравнивая эллиптические галактики одного характерного линейного размера на разных z, можно реализовать тест Толмена.

Примерно так и действовал Сендидж. Он рассмотрел несколько скоплений галактик на z ~ 1 и сравнил поверхностные яркости наблюдаемых в них эллиптических галактик с данными для подобных галактик вблизи нас. Для корректности сравнения Сендиджу пришлось учесть ожидаемую эволюцию яркостей галактик за счет «пассивной» эволюции составляющих их звезд, однако эта поправка в настоящее время определяется вполне надежно. Результаты оказались однозначными – поверхностная яркость галактик изменяется пропорционально 1/(1 + z )4 и, следовательно, Вселенная расширяется. Модель стационарной Вселенной со «стареющими» фотонами не удовлетворяет наблюдениям.

Еще один интересный тест был также предложен очень давно, а реализован лишь относительно недавно. Фундаментальным свойством расширяющейся Вселенной является кажущееся замедление времени у далеких объектов. Чем дальше от нас в расширяющейся Вселенной находятся часы, тем медленнее, как нам кажется, они идут – на больших z длительность всех процессов кажется растянутой в (1 + z ) раз (рис 22). (Этот эффект подобен релятивистскому замедлению времени в специальной теории относительности.) Поэтому, если найти такие «часы», которые можно наблюдать на больших расстояниях, то можно непосредственно проверить реальность расширения Вселенной.

Рис. 22. Импульсы, испущенные далеким объектом на красном смещении z с интервалом в 1 секунду, доберутся до нас с интервалами 1 + z секунд.

В 1939 году американский астроном Олин Вилсон опубликовал заметку, в которой он отметил удивительное постоянство формы кривых блеска сверхновых звезд (см. пример кривой блеска сверхновой Тихо Браге на рис. 4, а также рис. 23) и предложил использовать эти кривые в качестве «космологических часов». Вспышка сверхновой – это один из самых мощных катастрофических процессов во Вселенной. В ходе такой вспышки звезда со скоростью ~ 104 км/с сбрасывает оболочку с массой, сравнимой с массой Солнца. При этом звезда становится ярче в десятки миллионов раз, и в максимуме блеска она способна затмить всю галактику, в которой она вспыхнула. Столь яркий объект, естественно, виден на очень больших, космологических расстояниях. Как можно использовать кривые блеска сверхновых в качестве «часов»? (Их можно использовать и в качестве «стандартной свечи», но об этом я расскажу чуть позже.) Во-первых, не все сверхновые одинаковы по своим наблюдательным проявлениям и по кривым блеска. Их делят на два типа (I и II), а те в свою очередь подразделяют на несколько подтипов. В дальнейшем мы будем обсуждать только кривые блеска сверхновых типа Ia. Во-вторых, даже у этого типа звезд кривые блеска на первый взгляд выглядят очень разнообразными и совсем не очевидно, что с ними можно сделать. Например, на рисунке 23 показаны наблюдаемые кривые блеска нескольких близких сверхновых типа Ia. Эти кривые довольно сильно отличаются: например, светимости показанных на рисунке звезд в максимуме блеска различаются почти в три раза.

Рис. 23. Кривые блеска SN Ia: на верхнем рисунке показаны наблюдаемые кривые, на нижнем они сведены в одну с учетом корреляции между формой кривой блеска и светимостью сверхновой в максимуме. По горизонтальной оси отложены дни после максимума блеска, по вертикальной – абсолютная звездная величина (мера светимости). По данным проекта Calan-Tololo Supernova Survey

Ситуацию спасает то, что разнообразие форм наблюдаемых кривых блеска подчиняется четкой корреляции: чем ярче SN в максимуме, тем более плавно затем спадает ее яркость. Эта зависимость была открыта советским астрономом Юрием Псковским еще в 1970-х годах и позднее – уже в 1990-х – была подробно изучена другими исследователями. Оказалось, что с учетом этой корреляции кривые блеска SN Ia удивительно однородны (см. рис. 23) – например, разброс светимостей SN Ia в максимуме блеска составляет лишь около 10 %! Следовательно, изменение блеска у SN Ia может рассматриваться как стандартный процесс, длительность которого в локальной системе отсчета хорошо известна. Использование этих «часов» показало, что у далеких сверхновых (сейчас обнаружено уже несколько десятков SN с z > 1) изменения видимого блеска и спектра замедлены на множитель (1 + z ). Это является непосредственным и очень сильным аргументом в пользу реальности космологического расширения. Еще одним аргументом является согласие возраста Вселенной, получаемого в рамках модели расширяющейся Вселенной, с возрастом реально наблюдаемых объектов. Расширение означает, что с течением времени расстояния между галактиками увеличиваются. Мысленно обратив этот процесс вспять, мы приходим к выводу, что это глобальное расширение должно было когда-то начаться. Зная текущий темп расширения Вселенной (он определяется значением постоянной Хаббла) и баланс плотностей составляющих ее подсистем (обычное вещество, темная материя, темная энергия), можно найти, что расширение началось примерно 14 миллиардов лет назад. Значит, мы не должны наблюдать в нашей Вселенной объекты с возрастом, превышающим эту оценку.

Но как можно найти возраст космических объектов? По-разному. Например, с помощью радиоактивных «часов» – методами ядерной космохронологии, которые позволяют оценивать возраст объектов путем анализа относительной распространенности изотопов с большими периодами полураспада. Изучение содержания изотопов в метеоритах, в земных и лунных породах показало, что возраст Солнечной системы близок к 5 млрд лет. Возраст Галактики, в которой находится наша Солнечная система, конечно, больше. Его можно оценить по времени, которое необходимо для образования наблюдаемого в Солнечной системе количества тяжёлых элементов. Расчеты показывают, что синтез этих элементов должен был продолжаться в течение ~ 5 млрд лет до образования Солнечной системы. Следовательно, возраст окружающих нас областей Млечного Пути близок к 10 млрд лет.

Другой способ датирования Млечного Пути основан на оценке возраста составляющих его старейших звезд и звездных скоплений. Этот метод основан на теории звездной эволюции, хорошо подтвержденной разнообразными наблюдениями. Результат этого подхода – возраст различных объектов Галактики (звезд, шаровых скоплений, белых карликов и пр.) не превышает ~10–15 млрд лет, что согласуется с современными представлениями о времени начала космологического расширения.

Возраст других галактик определить, конечно, сложнее, чем возраст Млечного Пути. У далеких объектов мы не видим отдельные звезды и вынуждены изучать лишь интегральные характеристики галактик – спектры, распределение яркости и пр. Эти интегральные характеристики складываются из вкладов огромного числа составляющих галактики звезд. Кроме того, наблюдаемые характеристики галактик сильно зависят от наличия и распределения в них межзвездной среды – газа и пыли. Все эти трудности преодолимы и современные астрономы научились восстанавливать истории звездообразования, которые должны были привести к наблюдаемым в настоящее время интегральным характеристикам галактик. У галактик разных типов эти истории различны (например, эллиптические галактики возникли в ходе мощной одиночной вспышки звездообразования много миллиардов лет назад, в спиральных галактиках звезды рождаются и в настоящее время), однако не обнаружено галактик, начало звездообразования в которых превышало бы возраст Вселенной. Кроме того, наблюдается вполне определенный, ожидаемый для реально расширяющейся Вселенной, тренд – чем дальше по z мы забираемся во Вселенную, то есть переходим к все более ранним этапам ее эволюции, тем, в среднем, более молодые объекты мы наблюдаем.

Важными аргументами, поддерживающими расширение Вселенной, являются также существование реликтового излучения, наблюдаемое увеличение его температуры с ростом красного смещения, а также содержание элементов во Вселенной, но об этом я расскажу чуть позже. Закончить же свой рассказ я хочу, быть может, самым наглядным свидетельством расширения Вселенной – изображениями далеких галактик (см. пример на рис. 24).

Одними из самых эффектных результатов работы космического телескопа «Хаббл» (Hubble Space Telescope), несомненно, являются замечательные картинки разнообразных космических объектов – туманностей, звездных скоплений, галактик и пр. Наблюдениям из космоса не мешает земная атмосфера, размывающая изображения, и поэтому снимки HST примерно в десять раз более четкие, чем наземные. На этих очень четких снимках (их угловое разрешение составляет около 0.""1) в 1990-х годах впервые удалось детально рассмотреть структуру далеких галактик. Как оказалось, далекие галактики не похожи на те, что мы наблюдаем около нас. С ростом красного смещения увеличивается доля асимметричных и неправильных галактик, а также галактик в составе взаимодействующих и сливающихся систем: если при z = 0 к таким объектам можно отнести лишь несколько процентов галактик, то к z = 1 их доля возрастает до ~ 30-40 %.

Рис. 24. Фрагмент Сверхглубокого поля космического телескопа «Хаббл» (размер изображения 30"" x 30"")· Большинство видимых на рисунке галактик имеют z ~ 0.5: 1, то есть они относятся к эпохе, когда Вселенная была примерно вдвое моложе.

Почему это происходит? Простейшее объяснение связано с расширением Вселенной – в более ранние эпохи взаимные расстояния между галактиками были меньше (при z = 1 они были в два раза меньше) и, следовательно, галактики должны были чаще возмущать друг друга близкими прохождениями и чаще сливаться. Этот аргумент не является столь однозначным, как упомянутые раньше, однако он наглядно свидетельствует о вполне определенной, соответствующей картине расширяющейся Вселенной, эволюции свойств галактик со временем. Итак, расширение Вселенной подтверждается разнообразными, совершенно не связанными друг с другом, независимыми наблюдательными тестами. Кроме того, нестационарность Вселенной неизбежно возникает и при теоретических исследованиях ее структуры и эволюции. Все это позволило знаменитому советскому физику-теоретику Якову Зельдовичу еще в начале 1980-х годов заключить, что теория Большого взрыва, основой которой является расширение Вселенной, «столь же надежно установлена и верна, сколь верно, что Земля вращается вокруг Солнца. Обе теории занимали центральное место в картине мироздания своего времени, и обе имели много противников, утверждавших, что новые идеи, заложенные в них, абсурдны и противоречат здравому смыслу. Но подобные выступления не в состоянии препятствовать успеху новых теорий».

| |

Параллельные вселенные - это теория или действительность? Многие ученые-физики бьются над решением этого вопроса далеко не первый год.

Существуют ли параллельные вселенные?

Является ли наша Вселенная одной из множества? Идея параллельных вселенных, ранее приписываемая исключительно научной фантастике, теперь становится все более уважаемой среди ученых - по крайней мере, среди физиков, которые обычно доводят любую идею до самых рамок того, что вообще можно предположить. В действительности существует огромное количество потенциальных параллельных вселенных. Физики предложили несколько возможных форм «мультивселенной», каждая из которых является возможной по тому или иному аспекту законов физики. Проблема, которая вытекает непосредственно из самого определения, заключается в том, что люди никогда не смогут посетить эти вселенные, чтобы убедиться в том, что они существуют. Таким образом, вопрос заключается в том, как другими методами проверить существование параллельных вселенных, которые невозможно увидеть или потрогать?

Зарождение идеи

Предполагается, что по крайней мере в некоторых из этих вселенных живут человеческие двойники, которые проживают похожие или даже идентичные жизни с людьми из нашего мира. Такая идея затрагивает ваше эго и пробуждает фантазии - именно поэтому мультивселенные, какими бы далекими и недоказуемыми они ни были, всегда получали такую широкую популярность. Наиболее наглядно вы могли увидеть идеи мультивселенных в таких книгах, как «Человек в высоком замке» Филиппа К. Дика, и в таких фильмах, как «Осторожно, двери закрываются». На самом деле, нет ничего нового в идее мультивселенных - это наглядно доказывает религиозный философ Мери-Джейн Рубенштейн в своей книге «Миры без конца». В середине шестнадцатого века Коперник спорил о том, что Земля не является центром Вселенной. Спустя несколько десятилетий телескоп Галилео показал ему звезды вне досягаемости, так человечество получило первое представление о необъятности космоса. Таким образом, в конце шестнадцатого века итальянский философ Джордано Бруно рассуждал о том, что Вселенная может быть бесконечной и содержать в себе бесконечное число населенных миров.

Вселенная-матрешка

Идея о том, что Вселенная содержит множество солнечных систем, стала довольно распространенной в восемнадцатом веке. В начале двадцатого века ирландский физик Эдмунд Фурнье Д’Альба даже предположил, что может существовать бесконечная регрессия «вложенных» вселенных разного размера, как больших, так и меньших. С этой точки зрения, отдельно взятый атом можно рассматривать как настоящую населенную солнечную систему. Современные ученые отрицают предположение о существовании мультивселенной-матрешки, но взамен они предложили несколько других вариантов, в которых могут существовать мультивселенные. Вот самые популярные среди них.

Лоскутная вселенная

Самая простая из этих теорий вытекает из идеи о бесконечности Вселенной. Невозможно знать наверняка, является ли она бесконечной, но и отрицать это невозможно. Если она все же бесконечна, то она должна быть разделена на «лоскуты»-регионы, которые не видны друг другу. Почему? Дело в том, что эти регионы находятся настолько далеко друг от друга, что свет не может преодолеть такую дистанцию. Возраст Вселенной составляет всего 13.8 миллиарда лет, так что любые регионы, находящиеся на расстоянии 13.8 миллиарда световых лет друг от друга, полностью отрезаны друг от друга. В соответствии со всеми данными, эти регионы могут считаться отдельными вселенными. Но они не остаются в таком состоянии навсегда - в конце концов свет переходит границу между ними, и они расширяются. И если Вселенная на самом деле состоит из бесконечного количества «островных вселенных», содержащих материю, звезды и планеты, то где-то должны быть и миры, идентичные Земле.

Инфляционная мультивселенная

Вторая теория вырастает из идей о том, как Вселенная зародилась. В соответствии с доминирующей версией о Большом Взрыве, она началась как бесконечно малая точка, которая невероятно быстро расширилась в раскаленном огненном шаре. Спустя долю секунды после начала расширения ускорение уже достигло такой огромной скорости, которая намного превышала скорость света. И этот процесс называется «инфляцией». Инфляционная теория объясняет, почему Вселенная является относительно однородной в любой отдельно взятой ее точке. Инфляция расширила этот огненный шар до космических масштабов. Однако изначальное состояние также имело большое количество различных случайных вариаций, которые также подверглись инфляции. И теперь они сохраняются в качестве реликтовой радиации, слабого послесвечения Большого Взрыва. И это излучение пронизывает всю Вселенную, делая ее не такой равномерной.

Космический естественный отбор

Данная теория была сформулирована Ли Смолиным из Канады. В 1992 году он предположил, что вселенные могут развиваться и воспроизводиться точно так же, как живые существа. На Земле естественный отбор способствует появлению «полезных» черт, таких как большая скорость бега или особое расположение больших пальцев. В мультвселенной также должно существовать определенное давление, которое делает одни вселенные лучшими, чем другие. Смолин назвал эту теорию «космическим естественным отбором». Идея Смолина заключается в том, что «материнская» вселенная может давать жизнь «дочерним», которые формируются внутри нее. Материнская вселенная может сделать это только в том случае, если у нее имеются черные дыры. Черная дыра формируется, когда большая звезда разрушается под воздействием ее собственной силы притяжения, сталкивая все атомы до такой степени, пока они не достигают бесконечной плотности.

Мультивселенная брана

Когда общая теория относительности Альберта Эйнштейна начала набирать популярность в двадцатые годы, многие люди обсуждали «четвертое измерение». Что может там находиться? Возможно, скрытая вселенная? Это была бессмыслица, Эйнштейн не предполагал существование новой вселенной. Все, что он говорил - это то, что время является таким же измерением, которое похоже на три измерения пространства. Все четыре сплетаются между собой, образую пространственно временной континуум, материя которого искажается - и получается гравитация. Несмотря на это, другие ученые начали обсуждать возможность существования других измерений в космосе. Впервые намеки на скрытые измерения появились в работах теоретического физика Теодора Калуцы. В 1921 году он продемонстрировал, что, добавляя к уравнению общей теории относительности Эйнштейна новые измерения, можно получить дополнительное уравнение, с помощью которого можно предсказывать существование света.

Многомировая интерпретация (квантовая мультивселенная)

Теория квантовой механики является одной из самых успешных во всей науке. Она обсуждает поведение самых малых объектов, таких как атомы и их составляющие элементарные частицы. Она может предсказывать самые различные феномены, начиная от формы молекул и заканчивая тем, как взаимодействуют свет и материя - и все это с невероятной точностью. Квантовая механика рассматривает частицы в форме волн и описывает их математическим выражением, которое именуется волновой функцией. Возможно, самой странной особенностью волновой функции является то, что она позволяет частице существовать одновременно в нескольких состояниях. Это называется суперпозицией. Но суперпозиции разрушаются, как только предмет измеряется любым способом, так как измерения заставляют объект выбрать конкретную позицию. В 1957 году американский физик Хью Эверетт предложил перестать жаловаться на странную природу такого подхода и просто жить с ним. Он также предположил, что объекты не переключаются на конкретную позицию при их измерении - вместо этого он считал, что все возможные позиции, заложенные в волновую функцию, одинаково реальны. Поэтому, когда происходит измерение предмета, человек видит лишь одну из многих реальностей, но все остальные реальности также существуют.

Вселенная полна загадок и необъяснимых явлений. Ее огромный размер уже сам по себе является тайной. И, в конце концов, что такое Вселенная - не знает никто. В этом обзоре мы собрали самые невероятные загадки, которые и сегодня не дают покоя учёным.

1. Сколько лет Вселенной

На заре XXI века несмотря на все изобретения и научно-технический прогресс, возраст Вселенной остается загадкой. По последним оценкам экспертов, возраст Вселенной составляет 13,8 миллиардов лет.

2. Как формируются галактики

Есть очень много дискуссий о том, как сформировались галактики, но на самом деле этого никто не знает наверняка. Ученые не знают, что случилось после Большого взрыва: мелкие частицы начали медленно объединяться и постепенно образовывать звезды, звездные скопления и галактики или же Вселенная изначально представляла собой структуру в виде сгустков материи, которые позже разделились на галактики.

3. Прямоугольная галактика

Это называется “галактика в форме изумруда" и недавно она была обнаружена международной командой астрономов с Суинбернского технологического университета в Австралии. Галактика в форме драгоценного камня была обнаружена с помощью телескопа Subaru японским астрофизиком Ли Спитлером. Считается, что необычная форма является результатом столкновения двух галактик.

4. Вселенная до Большого взрыва

Существовало ли что-нибудь до Большого взрыва. Этого, наверное, люди не узнают никогда.

5. Как появилась жизнь на Земле

Ученые знают, что Земля была лишена жизни, когда сформировалась Солнечная система. Тем не менее, возникли ли первые формы жизни на Земле или в другом месте - это огромная тайна, которая является предметом серьезных научных дискуссий. Ранее ученые считали, что вся жизнь могла возникнуть спонтанно, но некоторые ученые считают, что сложные органические молекулы могли возникнуть в космосе и были занесены на Землю кометами или метеоритами.

6. Темная материя

Никто не знает точно, что такое темная материя, которой якобы 22% во Вселенной. Поскольку (предположительно) она не испускает электромагнитного излучения и не взаимодействует с ним, прямое наблюдение темной материи невозможно. Вывод о ее существовании был сделан на основании поведения астрономических объектов и гравитационных эффектов.

7. Насколько велика Вселенная

Все знают, что Вселенная является огромной. Хотя размер наблюдаемой Вселенной составляет около 13,8 млрд лет, расстояние до края наблюдаемой Вселенной составляет около 46 миллиардов световых лет. Это происходит потому, что Вселенная постоянно расширяется и постоянно становилась больше все время, пока свет шел к Земле.

8. Черные дыры

Концепция черных дыр возвращает нас к 1780-м годам, когда Джон Мичелл и Лаплас предполагали существование “темных звезд”, чья гравитация была настолько сильной, что притягивала даже световое излучение. Тем не менее, люди до сих пор много не знают о черных дырах. Например, в 2014 году ученые обнаружили галактики с тремя сверхмассивными черными дырами в центре (а ранее предполагалось, что в центре галактики может находиться только 1 черная дыра).

9. Гамма-всплески

Одной из самых больших тайн астрономии в течение последних трех десятилетий является природа гамма-всплесков (самых мощных во Вселенной выбросов энергии). Ученые могут фиксировать их и наблюдать за ними, но они до сих пор не имеют ни малейшего понятия, почему они появляются случайным образом и вообще почему они происходят.

10. Темная энергия

Согласно наиболее общепринятой теории, темная энергия должна действовать в противовес гравитации. Именно она составляет примерно 68% Вселенной и вызывает ее расширение. Во всем остальном, что это такое - полная загадка.

11. Был ли Большой взрыв

Возраст нашей Вселенной, согласно теории Эйнштейна, составляет около 13,8 млрд лет и она была сформирована из бесконечно малой точки во время Большого взрыва. Хотя большинство ученых сегодня принимают эту модель, научное сообщество до сих пор не может объяснить, что происходило в этой маленькой точке до взрыва и почему он случился.

12. Одиноки ли люди во Вселенной?

Это еще одна великая тайна, которую многие мыслители и ученые пытались решить на протяжении всей истории человеческой цивилизации, но так до сих пор и не нашли на нее ответ. Также вопросом является то, смогут ли люди вообще осознать совершенно иную жизнь - ведь может прямо сейчас за людьми наблюдает другой тип жизни, а они даже не понимают этого.

13. Зарождение жизни

Это, без сомнения, один из самых старых вопросов и самая большая загадка в истории человечества. Хотя существуют теории, которые там пытаются объяснить это сложными химическими реакциями, на самом деле ученые не имеют четкого однозначного объяснения жизни.

14. Правда ли все вокруг

С тех пор, как люди начали аналитически рассуждать, этот вопрос таится где-то в подсознании. А заключается он в следующем: является ли то, что видят люди тем, что это есть на самом деле.

15. Что такое гравитация на самом деле

Гравитация играла большую роль в создании вселенной в ее современном виде. Благодаря силе тяжести куски материи “слипались” в планеты, луны и звезды. Из-за силы тяжести, когда человек что-то роняет, то этот предмет падает вниз, а не вверх. Но что это за сила на самом деле - неизвестно. Хотя ученые могут наблюдать и понимать, как гравитация “ведет себя”, они понятия не имеют, почему она существует. Например, если сила тяжести является силой, которая заставляет все вещество притягиваться ко всем другим, почему внутри атомы представляют собой в основном пустое пространство.

И в продолжение неземной темы - невероятные .