Чудеса и тайны Вселенной
Всё, связанное с ней и всё, из чего она состоит прекрасно и чудесно. Можно даже сказать, фантастическое.Взять, например, само появление Вселенной или движение объектов.
Неоспорима уникальность каждой частички и существование процессов, протекающих во Вселенной. К примеру, наличие таких элементов как чёрные дыры, галактики и планеты разных размеров, обладающих удивительными свойствами. В принципе, само появление жизни на Земле и развитие цивилизаций. Что же может быть чудесней?
Открытия учёных и развитие науки рождают новые территории загадок. Законы природы, невероятные артефакты только слегка приоткрыли эту завесу. Мистика, связывающая все процессы взаимодействия и развития вселенной, возбуждает интерес человека к ней.
Чтобы разгадать тайны Вселенной, мы изучаем, исследуем и создаем новые способы и технологии.
Бесконечность — это парадокс
Бесконечность — это одно из самых загадочных явлений. Еще в Древней Греции её считали парадоксальной.
Давайте разберёмся, что такое парадокс. Это может быть ситуация, утверждение, суждение или вывод, существующие в реальности, но не имеющие логического объяснения.К слову, определение бесконечность в современном мире подразумевает категорию человеческого мышления, использующуюся для характеристики безграничных, беспредельных, неисчерпаемых предметов и явлений. Стоит отметить, что для них невозможно указание границ или количественной меры.
Символ бесконечности
Классификация бесконечности
Существует потенциальная, означающая непрерывное продолжение чего-либо, и актуальная бесконечность, как уже существующее бесконечное.
Кроме того, различают качественную и количественную бесконечности. Первая отражает характер связей, которые не имеют границ и являются бесконечными. А вторая, в свою очередь, представляет процессы и объекты.О том, что связано с бесконечностью, можно сказать: невозможное — возможно.
Мы выяснили, что бесконечность характеризуется отсутствием границ, пределов и единиц измерений. Но она представляет тайны Вселенной, незаметно присутствующие в нашей жизни. На самом деле, бесконечность нераздельно связана с жизнью на Земле, и со всем космическим миром.
Теория причинных множеств
Во всех современных теориях пространство и время непрерывны. Они образуют гладкую ткань, которая лежит в основе всей реальности. В таком непрерывном пространстве-времени две точки могут находиться как можно ближе друг к другу в пространстве, и два события могут произойти как можно ближе друг к другу во времени.
Но другой подход, называемый теорией причинных множеств, переосмысливает пространство-время как серию дискретных фрагментов, или «атомов» пространства-времени. Эта теория установила бы строгие ограничения на то, насколько близкими могут быть события в пространстве и времени, поскольку они не могут быть ближе, чем размер «атома».
Новая теория, возможно, сможет объединить ОТО и квантовую механику.
Например, когда вы смотрите на экран, читая эту статью, все кажется гладким и непрерывным. Но если бы вы посмотрели на этот экран через увеличительное стекло, то увидели бы пиксели, которые разделяют пространство и обнаружили бы, что невозможно приблизить два изображения на экране ближе, чем на один пиксель. Эта теория взволновала физика Бруно Бенто из Ливерпульского университета.
«Огромная часть философии причинно-следственных связей заключается в том, что течение времени является чем-то физическим, что его не следует приписывать какой-то возникающей иллюзии или чему-то, что происходит внутри нашего мозга, что заставляет нас думать, что время течет; это прохождение само по себе является проявлением физической теории», – пишут авторы научной работы.
Итак, в теории причинных множеств причинный набор будет расти по одному «атому» за раз и становиться все больше и больше». Подход с причинно-следственными связями аккуратно устраняет проблему сингулярности Большого взрыва, потому что в теории сингулярности не могут существовать. Материя не может сжаться до бесконечно малых точек – они могут стать не меньше размера атома пространства-времени.
Человеческому глазу не подвластен микромир. Е счастью, у нас есть инструменты, позволяющие увидеть атомы и электроны.
Но как в таком случае выглядит начало нашей Вселенной? Как полагает Ленту и его коллега Став Залель, аспирант Лондонского Имперского колледжа, теория причинных множеств может об этом многое рассказать. Их работа пока что не прошла экспертную оценку и опубликована на сервере препринтов arXiv.
В ней физики рассмотрели вопрос о том, «должно ли существовать начало Вселенной в подходе с причинно-следственными связями». В первоначальной формулировке причинный набор вырастает из ничего во Вселенную, которую мы видим сегодня. В новой работе Большого взрыва в качестве начала Вселенной не было, поскольку причинно-следственная связь была бы бесконечной в прошлом. Это означает, что в прошлом всегда было что-то еще.
Новая работа подразумевает, что Вселенная, возможно, не имела начала – она просто существовала всегда. То, что мы воспринимаем как Большой взрыв, возможно, было просто особым моментом в эволюции этого всегда существующего причинного набора, а не истинным началом.
Лабораторный эксперимент
Давайте представим, что наш мир – это компьютерная симуляция. Как, например, в одной из серий «Рик и Морти», где главный герой создал крошечную Вселенную, внутри которой находилась еще одна, а затем еще и еще. И если в мультфильме цель Рика заключалась в производстве энергии, то могло ли нечто подобное произойти с нами?
И если это так, то какова цель нашей «симуляции»? Кто задумал ее и почему? Возможно, наш мир был сконструирован подобно игре Sims развлечения ради. В любом случае, это настолько безумная идея, что мало кто относится к ней всерьез. Однако бывший заведующий кафедрой астрономии Гарвардского университета профессор Али Леб рискнул рассмотреть лабораторную вселенную всерьез.
Ави Леб предполагает, что в космосе нужно искать не пришельцев, а их технологии
«В статье для Scientific American он полагает, что Вселенная могла быть сформирована в лаборатории «развитой технологической цивилизацией». Если это правда, то история происхождения Вселенной объединит религиозную идею о творце с теорией квантовой гравитации и квантового туннелирования», – пишет Леб.
Что такое реальность?
Насколько реальна реальность? Что, если все, чем вы являетесь, все, что вы знаете, все люди в вашей жизни, а также все события не существуют физически на самом деле, а являются очень сложной симуляцией? Как в серии мультсериала «Рик и Морти», когда один из героев попал в симуляцию и даже не заметил этого. Наши постоянные читатели знают, что философ Ник Бостром рассмотрел этот вопрос в основополагающей статье «Живем ли мы в компьютерной симуляции?», в которой предполагает, что все наше существование может быть продуктом очень сложных компьютерных моделей (симуляций), которыми управляют продвинутые существа, чью истинную природу мы, возможно, никогда не сможем узнать.
Я не являюсь сторонницей этой идеи, но несмотря на все кажущееся безумие предположения Бострома, мы и правда не знаем что такое реальность. Современная наука пока не в силах познать квантовый мир и понять, например, почему на атомном уровне частицы меняют свое поведение, когда за ними наблюдают. Во времена, когда физики работают над сооружением миссии, способной выяснить, существует ли параллельная вселенная или вселенные, идея Бострома не выглядит чем-то экстраординарным.
Кадр из сериала Рик и Морти. Момент, когда Джерри узнал что все это время жил в симуляции
Физическая Вселенная – это «странная петля» – пишет в работе команда Quantum Gravity Research, базирующегося в Лос-Анджелесе Института теоретической физики, основанного ученым и предпринимателем Клеем Ирвином. Работа отталкивается от гипотезы моделирования Бострома, согласно которой вся реальность – это чрезвычайно детализированная компьютерная программа – и спрашивают: вместо того, чтобы полагаться на продвинутые формы жизни для создания технологии, необходимой для создания всего в нашем мире, не лучше ли предположить, что сама Вселенная является «ментальной имитацией самой себя»? Эту идею ученые связывают с квантовой механикой, рассматривая вселенную как одну из многих возможных моделей квантовой гравитации.
Один важный аспект, отличающий эту точку зрения от прочих подобных ей, связан с тем, что первоначальная гипотеза Бострома материалистична и рассматривает Вселенную как физическую. Для Бострома мы могли быть просто частью симуляции предков, созданной постлюдьми. Даже сам процесс эволюции может быть просто механизмом, с помощью которого будущие существа испытывают бесчисленные процессы, целенаправленно перемещая людей через уровни биологического и технологического роста. Таким образом, они генерируют предполагаемую информацию или историю нашего мира. В конечном итоге, разницы мы не заметим.
Но откуда берется физическая реальность, которая породила бы симуляцию? Их гипотеза принимает нематериалистический подход, утверждая, что все во Вселенной есть информация, выраженная в виде мысли. Таким образом, Вселенная «самореализуется» в собственное существование, опираясь на лежащие в ее основе алгоритмы и правило, которое исследователи называют «принципом эффективного языка». Согласно этому предложению, симуляция всего сущего – лишь одна «великая мысль».
Война материи и антиматерии
Группа ученых из Японии опубликовала исследование в журнале Nature об обнаружении фундаментальных частиц, которые могут отвечать за неравномерное распределение материи и антиматерии во Вселенной. Согласитесь, было бы логично предположить, что если бы при рождении Вселенной появилось одинаковое количество частиц и античастиц, то они бы просто уничтожили друг друга. В таком случае нас с вами и космоса как такового не существовало бы. Но мы существуем, а значит, этого не произошло.
Как полагают авторы исследования, существование Вселенной оказалось возможным потому, что вещество немного превысило количество антивещества. Грубо говоря, всего одна частица на миллиард пар частица-античастица изменила все. Это нарушение симметрии между материей и антиматерией называется барионной асимметрией. Благодаря огромному протонному ускорителю и 9 годам изучения данных о проведенных экспериментах, ученые смогли раскрыть самое убедительное на сегодня доказательство того, что причиной асимметрии стало поведение нейтрино – субатомных частиц, огромный выброс которых произошел во время Большого взрыва. Когда нейтрино в конце концов распались, то согласно этой теории образовали больше побочных продуктов материи, чем антиматерии.
Причина, по которой во Вселенной больше материи чем антиматерии интересует ученых почти 100 лет
Все дело в том, что нейтрино намного легче кварков и проходят сквозь космос практически не останавливаясь для взаимодействия с чем-либо вообще. Но так как существуют материя и антиматерия, существуют как обычные нейтрино, о которых мы знаем, так и чрезвычайно тяжелые нейтрино. Эти частицы настолько гигантские, что могли быть созданы только из огромных энергий и температур, присутствующих сразу после Большого Взрыва, когда Вселенная была очень горячей и плотной.
Неизбежный распад этих частиц на более мелкие и более стабильные виды, мог привести к чуть большему количеству материи, чем побочные продукты антиматерии, что и привело бы к существующему устройству нашей Вселенной, – пишет Scientific American.
Насколько велика Вселенная?
Всякий, кто хоть что-то знает о Вселенной, ответит не задумываясь: «Ужасно велика!» А вот ученые так быстро и определенно ответить не берутся.
Мы привыкли к тому, что у любого объекта есть размер. Иногда его не так легко определить, но он есть. Есть размер у атома, живой клетки, человека, Земли, любой планеты, Солнечной системы. Мы можем заглянуть в справочники и найти все эти цифры. Но, открывая справочник на слове «Вселенная», видим, к удивлению, что ее размер не указан. Это потому, что Вселенная — объект, который не укладывается в обычные житейские представления. Но люди об этом обычно не задумываются. Чаще под влиянием фантастов и околонаучных энтузиастов интереснее поразмышлять об иных мирах и пришельцах из них. А между тем в последние десятилетия ученые наблюдают настоящую революцию в понимании устройства Вселенной. Это гораздо более крупное изменение представлений о строении окружающего нас мира, чем осознание человечеством того, что Земля — это шар.
Еще несколько десятков лет назад Вселенную считали бесконечной. Так думали потому, что нигде не заметно никаких признаков ее границ. Например, в наши дни через телескопы можно рассмотреть объекты, находящиеся на расстоянии 28 млрд световых лет, но границ так и не видно.
Ученые считают, что юная Вселенная была плотным сгустком вещества с высокой температурой и давлением, которое расширялось с момента Большого взрыва до наших дней и продолжает расширяться
Однако эти взгляды пришлось изменить, когда в 1929 году 40-летний американский астроном Эдвин Хаббл открыл, что галактики удаляются друг от друга со скоростью, пропорциональной расстоянию между ними. Из теоретических работ Альберта Эйнштейна и советского физика Александра Фридмана следовало, что Вселенная должна изменяться во времени. Таким образом, открытие Хаббла способствовало перевороту в науке: вместо вечной и неизменной мы получили расширяющуюся, эволюционирующую Вселенную, возникшую миллиарды лет назад.
Новые представления породили новые идеи и исследования. Их результаты привели к модели образования Вселенной в результате Большого взрыва, который произошел, по разным оценкам, от 13 до 17 млрд лет назад. С этого момента начало существовать и отсчитываться время. В результате взрыва образовались частицы, из них — вещество, а из него уже формировались звезды и планеты.
В нынешнем состоянии Вселенная по форме похожа на футбольный мяч, состоящий из 12 пятиугольников, плотно подогнанных друг к другу. Внутри него находятся все известные нам объекты, включая нас самих. Диаметр «мяча» составляет, по разным оценкам, от 60 до 80 млрд световых лет. (Световой год — это расстояние, которое свет проходит за год. Это примерно 10 000 млрд километров.) Считается, что «мяч» еще какое-то время будет расширяться, а потом начнется обратный процесс, так что общий цикл от начала до конца займет около 40 млрд световых лет.
Ученые полагают, что звезды и другие объекты Вселенной продолжают отдаляться друг от друга, двигаясь благодаря силе, которую придал им Большой взрыв
Некоторые модели, с помощью которых описываются процессы возникновения и эволюции Вселенной, предполагают, что вселенные могут возникать при высокоэнергетическом взаимодействии элементарных частиц. В этих моделях макромир и микромир оказываются взаимосвязанными. Из этого следует, что вселенных может быть много.
Конечно, и из-за гигантских отрезков времени, и из-за дистанций это никак не затрагивает нашу жизнь. Но это формирует наши представления об окружающем мире. И восхищает то, что люди на уютной планете Земля за свою короткую по космическим масштабам жизнь и историю своим разумом, страстью и упорством проникают в такие удивительные тайны мироздания. Этим можно гордиться.
Большой взрыв или Ничего?
Согласитесь, весьма захватывающее исследование. В конце концов, больше ста лет физики не могут объединить квантовый мир и мир, который мы видим перед собой. Но даже если работа пройдет экспертную оценку и будет опубликована в научном журнале, у ученых впереди очень много работы.
Возможно когда-нибудь мы разгадаем величайшие тайны Вселенной
Таким образом, вопрос о том, можно ли новый подход интерпретировать «разумным» образом остается открытым. Однако исследователям удалось показать, что подобная структура действительно возможна. По крайней мере математически. Так что в ближайшее время мы и правда может узнать, было ли у Вселенной начало или же она существовала всегда. Будем ждать.
Этимология[]
В русском языке слово «Вселенная» является заимствованием из старославянского «въсєлена», что является калькой древнегреческого слова «ойкумена» (др.-греч. οἰκουμένη), от глагола οἰκέω «населяю, обитаю» и в первом значении имело смысл лишь обитаемой части мира. Русское слово «Вселенная» поэтому родственно существительному «вселение» и лишь созвучно определительному местоимению «всё». Самое общее определение для «Вселенной» среди древнегреческих философов, начиная с пифагорейцев, было τὸ πᾶν (Всё), включавшее в себя как всю материю (τὸ ὅλον), так и весь космос (τὸ κενόν).
Сколько во Вселенной галактик и планетных систем?
Существует как минимум 100 миллиардов галактик, о которых нам известно. Однако это число продолжает возрастать по мере того, как появляются новые, более мощные приборы.
Земля на фоне галактики
В каждой из этих галактик насчитывается от нескольких сотен тысяч до десятков триллионов звезд. Вокруг всех этих небесных светил могут вращаться разнообразные небесные тела, в том числе и планеты. Планетные системы выглядят по-разному, очень часто бывает, что вокруг звезды обращается только одна планета. Однако и систем, похожих на Солнечную, также великое множество.
Поделиться ссылкой
Гравитационная сингулярность
Если говорить простыми словами, гравитационная сингулярность — это место, после которого пространство Вселенной обрывается и перестает существовать.
Сергей Назаров, научный сотрудник Крымской астрофизической обсерватории, популяризатор науки:
«Самое главное — это то, что до сих пор не доказано, что сингулярность действительно существует. С точки зрения математики и физики мы подтверждаем ее существование. А реализуются ли наши расчеты в реальной Вселенной, мы не знаем. То есть сингулярность — это чисто теоретическая область исследований. Она моделируется, но не наблюдается.
Поэтому нужно понимать, что фактически сингулярность — это гипотеза, которая следует из теорий и математических расчетов. Не стоит говорить о ней как о доказанной вещи».
Впервые термин «сингулярность» в контексте гравитации использовал немецкий астроном Карл Шварцшильд. В 1916 году он предложил решение уравнения общей теории относительности Эйнштейна для задачи о гравитационном поле. Решение Шварцшильда предусматривало сингулярность — поверхность в пространстве, на которой гравитация оказывается бесконечно большой.
Индустрия 4.0
Слабая сила: как работает гравитация и почему она важна
Гравитационная сингулярность, по мнению ученых-теоретиков, расположена в центрах черных дыр, а центры находятся за горизонтом событий — местом, попадая в которое, объект или свет не может выбраться обратно. Кроме того, в этой точке плотность и кривизна материи стремятся к бесконечности, поэтому, если человек попытается попасть в черную дыру, его разорвет на атомы.
Предсказать, что находится за горизонтом событий, в центре черной дыры, попытались в фильме «Интерстеллар» Кристофера Нолана. По сюжету один из главных героев Джозеф Купер отправляется внутрь черной дыры Гаргантюа и пересекает ее горизонт событий. В результате он оказывается внутри массивного четырехмерного куба (тессеракта), построенного неизвестными существами в пятимерном пространстве. При перемещении в тессеракте он наблюдает моменты из жизни на Земле. Но попасть в пространство Земли у него не получается, потому что он находится под горизонтом событий Гаргантюа, из-под которого не может ничего выйти.
Сергей Назаров:
«В фильме «Интерстеллар» сингулярность вообще не показана, потому что никто толком не знает, как она может выглядеть. Более того, она может вообще никак не выглядеть. Потому что для нас понятие «выглядеть» означает, что к нам прилетели фотоны, и мы из информации, которую они принесли, сделали выводы. Но из сингулярности по определению ничего прилететь не может.
Зато в фильме хорошо показаны черная дыра и горизонт событий. Черная дыра в «Интерстелларе» нарисована очень реалистично. Для фильма проводилось серьезное математическое моделирование сверхмассивной черной дыры с массой порядка 100 млн солнечных масс. Это действительно существующие черные дыры. Кроме того, в фильме очень подробно и точно моделировалось гравитационное линзирование черной дыры, то есть то, как она воздействует на окружающее пространство».
Ученые до конца не понимают, что происходит в точке гравитационной сингулярности, потому что, согласно теории, в ней перестают работать имеющиеся законы физики, а изучить ее в достаточной мере не получается из-за опасности. Кроме того, поскольку сингулярность находится за горизонтом событий, наблюдать за ней тоже не получится.
Футурология
Черные дыры: почему они черные, как их находят и при чем здесь квазары
Сергей Назаров:
«Мы очень мало знаем о гравитационной сингулярности. Как я уже говорил, всю информацию о ней мы получаем из математических расчетов и моделирования теории. Поэтому перед нами стоит много вопросов: действительно ли существует сингулярность, какую она имеет форму, где находится, может ли она быть распилена внутри черной дыры, можно ли вообще говорить про положение сингулярности в пространстве. Все это нам еще только предстоит выяснить».
«Красное смещение» и закон Хаббла
Одним из самых важных научных открытий Хаббла является природа синего и красного гравитационного смещения. С их помощью ученым удается распознать, приближается или удаляется от нас то или иное космическое тело.
В 1929 г Эдвин Хаббл с помощью 100-дюймового телескопа проводил измерение спектральных свойств галактических систем Гершеля и отметил интересный факт. С одной стороны галактики имели много общего с Млечным путем, вот только спектры их самых ярких звезд имели существенные отличия от спектров звезд из нашей Галактики. Все они были сдвинуты в более длинноволновую сторону спектра, то есть в красную. Данное явление Хаббл назвал эффект красного смещения. Ученый заметил, что в пределах одного галактического пространства, красное смещение звезд было более менее одинаковым, а вот с другими галактиками оно имело существенные отличия.
Он выделил закономерность:
Проще говоря: чем дальше расположена наблюдаемая галактика, тем эффект красного смещения будет больше. Так был сформирован закон Хаббла, который изображается формулой:
Постоянная Хаббла представляет собой коэффициент, который входит в состав закона Хаббла. С его помощью связали расстояние до определенной галактической системы или квазара со скоростью их удаления. Измеряется в км/с на мегапарсек (Мпк).Со временем значение постоянной Хаббла регулярно меняется, смысл слова «постоянная» заключается в том, что в определенный момент времени величина Н во всех точках Вселенной будет одинаковой. Изменения связаны с использованием разных методик расчета и с изобретением более новых исследовательских аппаратов. В данный момент значение постоянной 70,1 (км/с)/Мпк.
Согласно закону Хаббла ученым удалось вычислить теоретический возраст Вселенной. Для этого они оценивали величину красного смещения для самых отдаленных объектов Вселенной, зная, что в самом начале все было сжато в единую точку. Самое интересное, что хаббловский возраст Вселенной практически равен тому возрасту, который был рассчитан по космологической модели Фридмана – 13,8 млрд. лет.
Примерно такой же эффект происходит и с красным смещением, но его масштабы куда больше. Чем дальше находится заезда от наблюдателя, тем заметней будет изменение частоты света, исходящего от нее. Во время наблюдения красное смещение представляет собой сдвиг спектральных линий в звездном излучении в красную область спектра.
В космологии еще есть понятие синего смещения, которое представляет собой полную противоположность красному. Если происходит сдвиг спектральных линий в сторону синей области, то это означает, что галактика приближается к нам с определенной скоростью.