←

Раннее половое размножение

←

Кембрийский взрыв

5

Масштаб оси: миллиарды лет.
См. также: Хронология человека и Хронология жизни

У людей уже давно есть идеи, объясняющие Вселенную. В большинстве ранних моделей Земля находилась в центре Вселенной. Некоторые древние греки считали, что Вселенная имеет бесконечное пространство и существует вечно. Они думали, что у него есть набор небесных сфер, соответствующих неподвижным звездам, Солнцу и различным планетам. Сферы вращались вокруг круглой, но неподвижной Земли.

В течение сотен лет лучшие наблюдения привели к модели Коперника, ориентированной на Солнце. В то время это было очень спорным вопросом, и с ним боролись религиозные авторитеты, в первую очередь христианская церковь (см. Джордано Бруно и Галилей).

Изобретение телескопа в Нидерландах в 1608 году было очень важным моментом в астрономии. К середине 1800-х телескопы были достаточно хороши, чтобы можно было увидеть другие галактики. Современный оптический (использующий видимый свет) телескоп еще более совершенен. Тем временем Исаак Ньютон усовершенствовал идеи гравитации и динамики (уравнения) и показал, как работает Солнечная система.

В 1900-х годах благодаря еще более совершенным телескопам астрономы поняли, что Солнечная система находится в галактике, состоящей из миллиардов звезд, которую мы называем Млечный Путь. Они также поняли, что другие галактики существуют вне ее, насколько мы можем видеть. Это положило начало новому виду астрономии под названием космология, в которой астрономы изучают, из чего состоят эти галактики и как они распространяются, чтобы они могли больше узнать об истории Вселенной и о том, как она работает. Измерив красное смещение галактик, космологи вскоре обнаружили, что Вселенная расширяется (см.: Хаббл).

Изображение сверхглубокого поля Хаббла в высоком разрешении. Он показывает множество галактик, каждая из которых состоит из миллиардов звезд. Эквивалентная площадь неба, которую занимает изображение, показана в левом нижнем углу. Самые маленькие и самые красные галактики, около 100, являются одними из самых далеких галактик, которые были сфотографированы. Они образовались вскоре после Большого взрыва.

Большой взрыв

Наиболее часто используемая научная модель Вселенной известна как теория Большого взрыва, в которой говорится, что Вселенная расширилась из единственной точки, которая содержала всю материю и энергию Вселенной. Существует множество научных доказательств, подтверждающих идею Большого взрыва. Астрономы считают, что Большой взрыв произошел около 13,73 миллиарда лет назад, то есть Вселенной 13,73 миллиарда лет. С тех пор Вселенная расширилась как минимум до 93 миллиарда световых лет, или 8,80 × 10 90 334 26 90 335 метров в диаметре. Он все еще расширяется прямо сейчас, и расширение становится все быстрее.

Однако астрономы до сих пор не уверены, что заставляет Вселенную расширяться. Из-за этого астрономы называют таинственную энергию, вызывающую расширение, темной энергией. Изучая расширение Вселенной, астрономы также поняли, что большая часть материи во Вселенной может находиться в форме, которую невозможно наблюдать с помощью имеющегося у нас научного оборудования. Это вещество было названо темной материей. Чтобы было ясно, темная материя и энергия не наблюдались напрямую (именно поэтому они называются «темными»). Однако многие астрономы считают, что они должны существовать, потому что многие астрономические наблюдения было бы трудно объяснить, если бы их не было.

Некоторые части Вселенной расширяются даже быстрее скорости света. Это означает, что свет никогда не сможет достичь нас здесь, на Земле, поэтому мы никогда не сможем увидеть эти части Вселенной. Мы называем часть Вселенной, которую мы можем видеть, наблюдаемой Вселенной.

Мифы

Слово Вселенная происходит от старофранцузского слова Univers , которое происходит от латинского слова universum . Латинское слово использовалось Цицероном и более поздними латинскими авторами во многих из тех же значений, что и современное английское слово.

Другая интерпретация (способ интерпретации) unvorsum : «все вращается как единое целое» или «все вращается одним». Это относится к ранней греческой модели Вселенной. В этой модели вся материя находилась во вращающихся сферах с центром на Земле; согласно Аристотелю, вращение самой внешней сферы было ответственно за движение и изменение всего внутри. Для греков было естественным предположить, что Земля неподвижна и что небеса вращаются вокруг Земли, потому что для доказательства обратного требуются тщательные астрономические и физические измерения (такие как маятник Фуко).

Наиболее распространенным термином для «Вселенной» среди древнегреческих философов, начиная с Пифагора, был το παν (Все), определяемый как вся материя ( το ολον ) и все пространство ( το κενον ).

Определение как реальность

См. также: Реальность и физика

Обычно Вселенная считается всем, что существует, существовало и будет существовать. Это определение гласит, что Вселенная состоит из двух элементов: пространства и времени, вместе известных как пространство-время или вакуум; материя и различные формы энергии и импульса, занимающие пространство-время. Два типа элементов ведут себя в соответствии с физическими законами, в которых мы описываем, как взаимодействуют элементы.

Аналогичное определение термина Вселенная — это все, что существует в один момент времени, например, настоящее или начало времени, как в предложении «Вселенная имела размер 0».

В книге Аристотеля Физика Аристотель разделил το παν (все) на три примерно аналогичных элемента: материя (вещество, из которого состоит Вселенная), форма (расположение этой материи в пространстве). ) и изменить (как материя создается, разрушается или изменяется в своих свойствах, и аналогично, как изменяется форма). Физические законы представляли собой правила, регулирующие свойства материи, формы и их изменения. Более поздние философы, такие как Лукреций, Аверроэс, Авиценна и Барух Спиноза, изменили или усовершенствовали эти деления. Например, у Аверроэса и Спинозы есть активных принципов, управляющих Вселенной, которые действуют на пассивных элементов.

Определения пространства-времени

Можно сформировать пространство-время, каждое из которых существует, но не способно соприкасаться, двигаться или изменяться (взаимодействовать друг с другом. Простым способом представить это является группа отдельных мыльных пузырей, в котором люди, живущие на одном мыльном пузыре, не могут взаимодействовать с людьми, живущими на других мыльных пузырях.Согласно одной общей терминологии, каждый «мыльный пузырь» пространства-времени обозначается как вселенная, тогда как наше конкретное пространство-время обозначается как Вселенная , точно так же, как мы называем нашу Луну Луной . Вся совокупность этих отдельных пространств-времен обозначается как мультивселенная. В принципе, другие несвязанные вселенные могут иметь разные размерности и топологии пространства-времени, разные формы материи и энергии, разные физические законы и физические константы, хотя такие возможности являются предположениями.

Наблюдаемая реальность

Согласно еще более ограничительному определению, Вселенная — это все в пределах нашего связанного пространства-времени, что может иметь шанс взаимодействовать с нами, и наоборот.

Согласно общей идее относительности, некоторые области космоса могут никогда не взаимодействовать с нашей даже за время существования Вселенной из-за конечной скорости света и продолжающегося расширения пространства. Например, радиосообщения, отправленные с Земли, могут никогда не достичь некоторых регионов космоса, даже если бы Вселенная существовала вечно; пространство может расширяться быстрее, чем свет может его пройти.

Стоит подчеркнуть, что эти отдаленные регионы космоса считаются существующими и такими же частью реальности, как и мы; однако мы никогда не сможем взаимодействовать с ними, даже в принципе. Пространственная область, в пределах которой мы можем воздействовать и подвергаться воздействию, обозначается как наблюдаемая вселенная .

Строго говоря, наблюдаемая Вселенная зависит от местоположения наблюдателя. Путешествуя, наблюдатель может войти в контакт с большей областью пространства-времени, чем наблюдатель, который остается неподвижным, так что наблюдаемая Вселенная для первого больше, чем для второго. Тем не менее, даже самый быстрый путешественник может не иметь возможности взаимодействовать со всем космосом. Как правило, «наблюдаемая Вселенная» означает Вселенную, видимую с нашей точки зрения в Галактике Млечный Путь.

Основные данные о Вселенной

Считается, что Вселенная в основном состоит из темной энергии и темной материи, ни один из которых в настоящее время не изучен. Менее 5% Вселенной составляет обычная материя .

Элементарные частицы, из которых построена Вселенная. Шесть лептонов и шесть кварков составляют большую часть материи; например, протоны и нейтроны атомных ядер состоят из кварков, а вездесущий электрон — лептон. Эти частицы взаимодействуют через калибровочные бозоны, показанные в среднем ряду, каждый из которых соответствует определенному типу калибровочной симметрии. Считается, что бозон Хиггса сообщает массу частицам, с которыми он связан. Гравитон, предполагаемый калибровочный бозон гравитации, не показан.

Вселенная огромна и, возможно, бесконечна по объему. Вещество, которое можно увидеть, распространяется в пространстве по меньшей мере на 93 миллиарда световых лет в поперечнике. Для сравнения, диаметр типичной галактики составляет всего 30 000 световых лет, а типичное расстояние между двумя соседними галактиками — всего 3 миллиона световых лет. Например, наша Галактика Млечный Путь имеет диаметр примерно 100 000 световых лет, а наша ближайшая сестринская галактика, Галактика Андромеды, расположена примерно в 2,5 миллионах световых лет от нас. Наблюдаемая Вселенная содержит более 2 триллионов (10 ¹² ) галактик и, в целом, примерно 70241000000000000000♠1×10 ²⁴ звезд (больше звезд, чем всех песчинок на планете Земля).

Типичные галактики варьируются от карликовых галактик всего с десятью миллионами (10 ⁷ ) звезд до гигантов с одним триллионом (10 ¹² ) звезд, и все они вращаются вокруг центра масс галактики. Таким образом, очень грубая оценка этих чисел предполагает, что в наблюдаемой Вселенной около одного секстиллиона (10 ²¹ ) звезд; хотя исследование, проведенное в 2003 году астрономами Австралийского национального университета, дало цифру 70 секстиллионов (7 x 10 ²² ).

Вещество, которое можно увидеть, распространяется по всей Вселенной, если усреднить его по расстояниям, превышающим 300 миллионов световых лет. Однако на меньших масштабах наблюдается, что материя образует «комки», многие атомы конденсируются в звезды, большинство звезд в галактики, большинство галактик в группы и скопления галактик и, наконец, самые крупномасштабные структуры, такие как Великая стена. галактик.

Текущая общая плотность Вселенной очень низка, примерно 9,9 × 10 ⁻³⁰ грамм на кубический сантиметр. Эта масса-энергия состоит на 73% из темной энергии, на 23% из холодной темной материи и на 4% из обычной материи. Плотность атомов составляет примерно один атом водорода на каждые четыре кубических метра объема. Свойства темной энергии и темной материи неизвестны. Темная материя замедляет расширение Вселенной. Темная энергия ускоряет ее расширение.

Вселенная стара и меняется. Наилучшее предположение о возрасте Вселенной составляет 13,798 ± 0,037 миллиарда лет, основанное на том, что было замечено в космическом микроволновом фоновом излучении. Независимые оценки (основанные на таких измерениях, как радиоактивное датирование) совпадают, хотя и менее точны, в диапазоне от 11 до 20 миллиардов лет. до 13–15 млрд лет.

Вселенная не всегда была одинаковой в своей истории. Это увеличение объясняет, как люди, связанные с Землей, могут видеть свет из галактики на расстоянии 30 миллиардов световых лет, даже если этот свет путешествовал всего 13 миллиардов лет; само пространство между ними расширилось. Это расширение согласуется с наблюдением, что свет от далеких галактик смещен в красную сторону; испускаемые фотоны во время своего путешествия растягиваются до более длинных волн и более низкой частоты. Скорость этого пространственного расширения увеличивается, судя по исследованиям сверхновых типа Ia и другим данным.

Относительные количества различных химических элементов — особенно самых легких атомов, таких как водород, дейтерий и гелий — кажутся одинаковыми во всей Вселенной и на протяжении всей ее истории, о которой мы знаем. Кажется, во Вселенной гораздо больше материи, чем антиматерии. Вселенная, по-видимому, не имеет чистого электрического заряда. Гравитация является доминирующим взаимодействием на космологических расстояниях. Вселенная также, кажется, не имеет чистого импульса или углового момента. Отсутствие суммарного заряда и импульса ожидается, если Вселенная конечна.

Вселенная представляет собой гладкий пространственно-временной континуум, состоящий из трех пространственных измерений и одного временного (временного) измерения. В среднем пространство почти плоское (близкое к нулевой кривизне), а это означает, что евклидова геометрия экспериментально верна с высокой точностью на большей части Вселенной. Однако Вселенная может иметь больше измерений, а ее пространство-время может иметь многосвязную глобальную топологию.

Во Вселенной действуют одни и те же физические законы и физические константы. Согласно преобладающей Стандартной модели физики, вся материя состоит из трех поколений лептонов и кварков, оба из которых являются фермионами. Эти элементарные частицы взаимодействуют посредством не более чем трех фундаментальных взаимодействий: электрослабого взаимодействия, включающего электромагнетизм и слабое ядерное взаимодействие; сильное ядерное взаимодействие, описываемое квантовой хромодинамикой; и гравитация, которая в настоящее время лучше всего описывается общей теорией относительности.

Специальная теория относительности действует во всей Вселенной в локальном пространстве и времени. В противном случае верна общая теория относительности. Нет никакого объяснения конкретным значениям, которые, по-видимому, имеют физические константы во всей нашей Вселенной, такие как постоянная Планка 90 147 ч 90 152 или гравитационная постоянная 90 147 G 90 152 . Было идентифицировано несколько законов сохранения, таких как сохранение заряда, сохранение количества движения, сохранение углового момента и сохранение энергии.

Теоретические модели

Общая теория относительности

Главная страница: Общая теория относительности

Точные предсказания прошлого и будущего Вселенной требуют точной теории гравитации. Наилучшей доступной теорией является общая теория относительности Альберта Эйнштейна, которая до сих пор прошла все экспериментальные проверки. Однако, поскольку строгие эксперименты не проводились на космологических масштабах длины, общая теория относительности могла быть неточной. Тем не менее, его предсказания согласуются с наблюдениями, поэтому нет причин принимать другую теорию.

Общая теория относительности предоставляет набор из десяти нелинейных дифференциальных уравнений в частных производных для метрики пространства-времени (уравнения поля Эйнштейна), которые должны быть решены на основе распределения массы-энергии и импульса во Вселенной. Поскольку они неизвестны в точных деталях, космологические модели были основаны на космологическом принципе, который утверждает, что Вселенная однородна и изотропна. По сути, этот принцип утверждает, что гравитационное воздействие различных галактик, составляющих Вселенную, эквивалентно гравитационному воздействию мелкодисперсной пыли, равномерно распределенной по Вселенной с той же средней плотностью. Предположение об однородной пыли позволяет легко решать уравнения поля Эйнштейна и предсказывать прошлое и будущее Вселенной в космологических масштабах времени.

Уравнения поля Эйнштейна включают космологическую постоянную (лямда: Λ ), которая связана с плотностью энергии пустого пространства. В зависимости от своего знака космологическая постоянная может либо замедлять (отрицательное Λ ), либо ускорять (положительное Λ ) расширение Вселенной. Хотя многие ученые, в том числе Эйнштейн, предполагали, что Λ равно нулю, недавние астрономические наблюдения сверхновых типа Ia обнаружили большое количество темной энергии, ускоряющей расширение Вселенной. Предварительные исследования предполагают, что эта темная энергия связана с положительным Λ , хотя альтернативные теории пока нельзя исключать.

Модель Большого взрыва

Основные страницы: Большой взрыв и нуклеосинтез

Преобладающая модель Большого взрыва объясняет многие экспериментальные наблюдения, описанные выше, такие как корреляция расстояния и красного смещения галактик, универсальное соотношение атомов водорода и гелия и вездесущий изотропный фон микроволнового излучения. Как отмечалось выше, красное смещение возникает из-за метрического расширения пространства; по мере расширения самого пространства длина волны фотона, путешествующего через пространство, также увеличивается, уменьшая его энергию. Чем дольше фотон путешествовал, тем большему расширению он подвергся; следовательно, более старые фотоны из более далеких галактик имеют наибольшее красное смещение. Определение корреляции между расстоянием и красным смещением является важной задачей экспериментальной физической космологии.

Другие экспериментальные наблюдения можно объяснить, объединив общее расширение пространства с ядерной физикой и атомной физикой. По мере расширения Вселенной плотность энергии электромагнитного излучения уменьшается быстрее, чем плотность энергии материи, поскольку энергия фотона уменьшается с увеличением его длины волны. Таким образом, хотя в настоящее время в плотности энергии Вселенной преобладает вещество, когда-то в ней преобладало излучение; поэтически говоря, все было светло. По мере расширения Вселенной плотность ее энергии уменьшалась, и она становилась холоднее; при этом элементарные частицы материи могли устойчиво объединяться во все более крупные комбинации. Таким образом, в начале эпохи господства материи образовались стабильные протоны и нейтроны, которые затем объединились в атомные ядра. На этом этапе материя во Вселенной представляла собой в основном горячую плотную плазму отрицательных электронов, нейтральных нейтрино и положительных ядер. Ядерные реакции между ядрами привели к нынешнему изобилию более легких ядер, особенно водорода, дейтерия и гелия. В конце концов электроны и ядра объединились, чтобы сформировать стабильные атомы, которые прозрачны для большинства длин волн излучения; в этот момент излучение отделилось от материи, образуя вездесущий изотропный фон микроволнового излучения, наблюдаемый сегодня.

Основные ядерные реакции, ответственные за относительное количество легких атомных ядер, наблюдаемых во Вселенной.

Известные физики не дают четкого ответа на другие наблюдения. Согласно господствующей теории, небольшой дисбаланс материи и антиматерии присутствовал при сотворении Вселенной или развился вскоре после этого. Хотя материя и антиматерия в основном аннигилировали друг друга, производя фотоны, небольшой остаток материи выжил, создав нынешнюю Вселенную, в которой доминирует материя.

Некоторые доказательства также указывают на то, что быстрое космическое расширение Вселенной произошло очень рано в ее истории (примерно через 10 ⁻³⁵ секунд после ее создания). Недавние наблюдения также предполагают, что космологическая постоянная ( Λ ) не равна нулю и что в чистом массо-энергетическом содержании Вселенной преобладают темная энергия и темная материя, которые не были охарактеризованы научно. Они различаются по своему гравитационному воздействию. Темная материя притягивается, как и обычная материя, и, таким образом, замедляет расширение Вселенной; напротив, темная энергия служит для ускорения расширения Вселенной.

Гипотеза Мультивселенной

Основные страницы: Мультивселенная, Многомировая интерпретация, Вечная инфляция и фантастика о параллельной вселенной

Некоторые люди думают, что существует более одной вселенной. Они думают, что существует набор вселенных, называемый мультивселенной. По определению, ничто в одной вселенной не может повлиять на что-то в другой. Мультивселенная еще не является научной идеей, потому что ее невозможно проверить. Идея, которая не может быть проверена или не основана на логике, не является наукой. Так что неизвестно, является ли Мультивселенная научной идеей.

Будущее

Будущее Вселенной — загадка. Однако есть несколько теорий, основанных на возможных формах Вселенной:

• Если Вселенная является замкнутой сферой, она перестанет расширяться. Вселенная сделает обратное и станет сингулярностью для другого Большого Взрыва. Это теория большого сжатия или большого отскока.
• Если Вселенная представляет собой открытую сферу, это ускорит расширение. Через 22 000 000 000 (22 миллиарда) лет Вселенная разорвется под действием этой силы. Это теория большого разрыва.
• Если Вселенная плоская, она будет расширяться вечно. При этом все звезды потеряют свою энергию и станут карликовой звездой. Через год гугола исчезнут и черные дыры. Это теория тепловой смерти или большой заморозки.

• Эдвард Роберт Харрисон 2000. Космология 2-е изд. Издательство Кембриджского университета.

• ——— 2008. Космология . Издательство Оксфордского университета. Испытывающий.

Связанные страницы

• Антропный принцип
• Большой взрыв
• Космология
• Мультивселенная
• Вселенная
• Реальность

• Есть ли во Вселенной дыра? в HowStuffWorks

Видео

Картинки для детей

• На этой диаграмме время идет слева направо, поэтому в любой момент времени Вселенная представлена ​​дискообразным «срезом» диаграммы

• Телевизионные сигналы, транслируемые с Земли, никогда не достигнут краев этого изображения.