Kur plečiasi visata?
Manau, kad visi tai jau girdėjo Visata plečiasi,
ir dažnai įsivaizduojame tai kaip didžiulį rutulį, pripildytą galaktikų ir ūkų, kuris didėja iš mažesnės būsenos ir laiko pradžioje įslenka mintis. Visata
apskritai buvo prispaustas.
Tada kyla klausimas, kas už siena , ir kur visata plečiasi ? Bet kokia yra riba? Is Visata ne begalinis? Vis dėlto pabandykime tai išsiaiškinti.
Visatos plėtimasis ir Hablo sfera
Įsivaizduokime, kad stebime itin didžiuliame teleskope, kuriame galite pamatyti bet ką visata
. Jis plečiasi, o jo galaktikos tolsta nuo mūsų. Be to, kuo erdviau jos yra mūsų atžvilgiu, tuo greičiau galaktikos tolsta. Pažiūrėkime toliau ir toliau. Ir tam tikru atstumu paaiškėja, kad visi kūnai tolsta nuo mūsų šviesos greičiu. Taigi susidaro rutulys, vadinamas Hablo sfera
. Dabar šiek tiek mažiau 14 milijardų šviesmečių
, ir viskas, kas yra už jo ribų, mūsų atžvilgiu lekia greičiau nei šviesa. Atrodytų, kad tai prieštarauja Reliatyvumo teorijos
nes greitis negali viršyti šviesos greičio. Bet ne, nes čia kalbame ne apie pačių objektų greitį, o apie greitį erdvės išplėtimas
. Bet tai yra visiškai kitokia ir gali būti bet kas.
Bet galime žiūrėti toliau. Tam tikru atstumu objektai tolsta taip greitai, kad mes jų niekada nepamatysime. Mūsų kryptimi skleidžiami fotonai tiesiog niekada nepasieks Žemės. Jie tarsi žmogus, einantis prieš eskalatoriaus judėjimą. Sugrąžins sparčiai besiplečianti erdvė. Riba, kurioje tai vyksta, vadinama Dalelių horizontas
. Dabar prieš jį apie 46,5 milijardo šviesmečių
. Šis atstumas didėja Visata plečiasi
. Tai vadinamoji siena stebima visata
. Ir visko, kas yra už šios sienos, mes niekada nepamatysime.
Ir čia yra įdomiausias dalykas. O kaip su ja? Gal čia atsakymas į klausimą? Pasirodo, viskas labai proziška. Tiesą sakant, sienos nėra. Ir ten tos pačios galaktikos, žvaigždės ir planetos driekiasi milijardus ir milijardus kilometrų.
Bet kaip?! Kaip tai atsitinka?!
Visatos plėtimosi centras ir dalelių horizontas
Tiesiog Visata
dūžta gana gudriai. Tai vyksta kiekviename erdvės taške vienodai. Tarsi paimtume koordinačių tinklelį ir padidintume jo mastelį. Iš to tikrai atrodo, kad visos galaktikos tolsta nuo mūsų. Bet jei persikelsite į kitą galaktiką, pamatysime tą patį vaizdą. Dabar visi objektai nutols nuo jo. Tai yra, kiekviename erdvės taške atrodys, kad esame išplėtimo centras
. Nors centro nėra.
Taigi, jei priartėsime prie Dalelių horizontas
, kaimyninės galaktikos nenuskris nuo mūsų greičiau nei šviesos greitis. Po visko Dalelių horizontas
persikelk su mumis ir vėl bus labai toli. Atitinkamai, ribos pasislinks stebima visata
ir pamatysime naujas galaktikas, anksčiau neprieinamas stebėjimui. Ir šią operaciją galima atlikti neribotą laiką. Galite vėl ir vėl pereiti prie dalelių horizonto, bet tada jis pasislinks, atverdamas jūsų žvilgsniui naujas perspektyvas. visata
. Tai yra, mes niekada nepasieksime jos sienų, o pasirodo Visata
ir tiesa begalinis
. Na, tik stebima jo dalis turi sienas.
Kažkas panašaus atsitinka gaublys
. Mums atrodo, kad horizontas yra žemės paviršiaus riba, bet kai tik nukeliaujame į tą tašką, pasirodo, kad ribos nėra. At visata
nėra ribos, už kurios nėra kosmoso laikas
arba kažkas panašaus. Kaip tik čia mes susiduriame begalybė
kas mums neįprasta. Bet jūs galite tai pasakyti Visata
visada buvo begalinis ir tęsiasi, išlikdamas begalinis. Tai gali padaryti, nes erdvėje nėra mažiausios dalelės. Jis gali ištempti tiek, kiek norite. Visatai plėtrai nereikia sienų ir sričių, kur plėstis. Taigi jis tiesiog niekur neegzistuoja.
Taigi palaukite, kaip Didysis sprogimas ?! Argi viskas, kas egzistuoja erdvėje, nebuvo suspausta į vieną mažytį taškelį?!
Ne! Jis buvo suspaustas tik į tašką stebima visatos riba
. Ir apskritai ji niekada neturėjo ribų. Norėdami tai suprasti, įsivaizduokime visata
milijardines sekundės dalis po , kai stebima jo dalis buvo krepšinio kamuolio dydžio. Net ir tada galime persikelti į Dalelių horizontas
ir viskas matoma Visata
pajudės. Galime tai daryti tiek kartų, kiek norime, ir taip išeina Visata
tikrai begalinis
.
Ir mes galime tą patį padaryti anksčiau. Taigi, judėdami laiku atgal, atsidursime arčiau Didysis sprogimas
. Bet tuo pačiu kiekvieną kartą mes tai rasime Visata yra begalinė
kiekvienu laikotarpiu! Net Didžiojo sprogimo akimirką! Ir pasirodo, kad tai įvyko ne kuriame nors konkrečiame taške, o visur, kiekviename begalinio Kosmoso taške.
Tačiau tai tik teorija. Taip, gana nuosekliai ir logiškai, bet ne be trūkumų.
Kokios būklės medžiaga buvo šiuo metu? Didysis sprogimas ? Kas atsitiko prieš tai ir kodėl išvis tai atsitiko? Kol kas aiškių atsakymų į šiuos klausimus nėra. Tačiau mokslo pasaulis nestovi vietoje, o gal net mes tapsime šių paslapčių sprendimo liudininkais.
Medžiaga iš Unciklopedijos
Analizuodami galaktikų ir reliktinės spinduliuotės stebėjimų rezultatus, astronomai priėjo prie išvados, kad materijos pasiskirstymas Visatoje (tiriamos erdvės sritis viršijo 100 Mpc skersmens) yra vienodas ir izotropinis, t.y. nepriklauso nuo padėties ir kryptis erdvėje (žr. Kosmologija) . O tokios erdvės savybės, remiantis reliatyvumo teorija, neišvengiamai reiškia, kad laikui bėgant keičiasi atstumai tarp kūnų, užpildančių Visatą, t.y. Visata turi plėstis arba trauktis, o stebėjimai rodo plėtimąsi.
Visatos plėtimasis gerokai skiriasi nuo įprasto materijos plėtimosi, pavyzdžiui, nuo dujų plėtimosi cilindre. Dujos, besiplečiančios, keičia stūmoklio padėtį cilindre, tačiau cilindras lieka nepakitęs. Visatoje vyksta visos erdvės kaip visumos plėtimasis. Todėl klausimas, kuria kryptimi vyksta plėtimasis, Visatoje netenka prasmės. Ši plėtra vyksta labai dideliu mastu. Žvaigždžių sistemose, galaktikų grupėse ir galaktikų superspiečiuose plėtimasis nevyksta. Tokios gravitacinės sistemos yra izoliuotos nuo bendro Visatos plėtimosi.
Išvadą, kad Visata plečiasi, patvirtina galaktikų spektrų raudonojo poslinkio stebėjimai.
Tegul iš kurio nors erdvės taško dviem momentais siunčiami šviesos signalai, kurie stebimi kitame erdvės taške.
Dėl Visatos mastelio pasikeitimo, t.y., didėjančio atstumo tarp spinduliavimo ir šviesos stebėjimo taškų, antrasis signalas turi nukeliauti didesnį atstumą nei pirmasis. O kadangi šviesos greitis pastovus, antrasis signalas vėluoja; intervalas tarp signalų stebėjimo taške bus didesnis nei jų išvykimo taške. Kuo didesnis delsimas, tuo didesnis atstumas tarp šaltinio ir stebėtojo. Natūralus dažnio standartas yra spinduliuotės dažnis elektromagnetinių perėjimų metu atomuose. Dėl aprašyto Visatos plėtimosi poveikio šis dažnis mažėja. Taigi, stebint kokios nors tolimos galaktikos spinduliuotės spektrą, visos jos linijos turėtų pasirodyti raudonai pasislinkusios, palyginti su laboratoriniais spektrais. Šis raudonojo poslinkio reiškinys yra Doplerio efektas (žr. Radialinį greitį) iš abipusio galaktikų „atsitraukimo“ ir yra stebimas realybėje.
Raudonojo poslinkio reikšmė matuojama pasikeitusio spinduliavimo dažnio ir pradinio dažnio santykiu. Dažnio pokytis didesnis, tuo didesnis atstumas iki stebimos galaktikos.
Taigi, išmatavus raudonąjį poslinkį nuo spektrų, paaiškėja, kad galima nustatyti galaktikų, kuriais jos tolsta nuo stebėtojo, greičius v. Šie greičiai yra susieti su atstumais r iki stebėtojo pagal Hablo dėsnį v = Hr; H reikšmė vadinama Hablo konstanta.
Tikslus H reikšmės nustatymas yra susijęs su dideliais sunkumais. Remiantis ilgalaikiais stebėjimais, šiuo metu priimtina reikšmė H ≈ (0,5÷1) 10 -10 metų -1.
Ši H reikšmė atitinka galaktikų recesijos greičio padidėjimą, lygų maždaug 50–100 km/s kiekvienam atstumo megaparsekui.
Hablo dėsnis leidžia įvertinti atstumus iki galaktikų, nutolusių dideliais atstumais nuo linijų raudonųjų poslinkių, išmatuotų jų spektruose.
Tolstančių galaktikų dėsnis yra kilęs iš stebėjimų iš Žemės (arba, galima sakyti, iš mūsų Galaktikos), taigi jis apibūdina galaktikų pašalinimą iš Žemės (mūsų galaktikos). Tačiau iš to negalima daryti išvados, kad būtent Žemė (mūsų galaktika) yra Visatos plėtimosi centre. Paprastos geometrinės konstrukcijos įtikina mus, kad Hablo dėsnis galioja stebėtojui, esančiam bet kurioje iš recesijoje dalyvaujančių galaktikų.
Hablo plėtimosi dėsnis rodo, kad kažkada materija Visatoje buvo labai didelio tankio sąlygomis. Laikas, skiriantis mus nuo šios būsenos, sąlyginai gali būti vadinamas Visatos amžiumi. Jis nustatomas pagal vertę
t V ~ 1/H ≈ (10÷20) 10 9 metai.
Kadangi šviesos greitis yra baigtinis, baigtinis Visatos amžius atitinka baigtinę Visatos sritį, kurią galime stebėti šiuo metu. Šiuo atveju tolimiausios stebimos Visatos dalys atitinka ankstyviausius jos evoliucijos momentus. Šiomis akimirkomis Visatoje gali gimti ir sąveikauti įvairios elementarios dalelės. Analizuodama procesus, kurie vyko dalyvaujant tokioms dalelėms pirmąją Visatos plėtimosi sekundę, teorinė kosmologija, remdamasi elementariųjų dalelių teorija, randa atsakymus į klausimus, kodėl Visatoje nėra antimedžiagos ir net kodėl. Visata plečiasi.
Daugelis teorijos prognozių apie fizikinius elementariųjų dalelių procesus yra susijusios su energijos regionu, kuris šiuolaikinėmis antžeminėmis laboratorinėmis sąlygomis nepasiekiamas, pavyzdžiui, greitintuvuose. Tačiau laikotarpiu iki pirmosios Visatos plėtimosi sekundės tokią energiją turinčios dalelės turėjo egzistuoti. Todėl fizikai besiplečiančią Visatą laiko natūralia elementariųjų dalelių laboratorija.
Šioje laboratorijoje galima atlikti „minčių eksperimentus“, analizuoti, kaip konkrečios dalelės egzistavimas paveiktų fizikinius procesus Visatoje, kaip viena ar kita teorijos prognozė pasireikštų astronominiuose stebėjimuose.
Elementariųjų dalelių teorija yra susijusi su Visatos „paslėptos masės“ paaiškinimu. Norint paaiškinti, kaip susiformavo galaktikos, kaip jos juda galaktikų spiečius ir daugelį kitų matomos materijos pasiskirstymo ypatybių, reikia daryti prielaidą, kad daugiau nei 80% Visatos masės yra paslėpta formoje. nematomos, silpnai sąveikaujančios dalelės. Šiuo atžvilgiu kosmologijoje plačiai aptariami neutrinai, kurių ramybės masė nėra nulinė, taip pat naujos hipotetinės dalelės.
Tamsiosios energijos prigimtis yra aršių diskusijų objektas. Prieš kiek mažiau nei trisdešimt metų atrastas nematomas visatos komponentas vis dar negavo vieno paaiškinimo. Atėjo laikas tai išsiaiškinti: kodėl tamsioji energija sukelia tiek daug problemų ir kaip mokslininkai bando ją aptikti?
Visatos forma
Esant geram tikslumui, mūsų Visata yra erdviškai vienalytė ir izotropinė – joje nėra „ypatingų“ taškų ir krypčių, kurių atžvilgiu jos savybės keičiasi. Tokią erdvę sukurti nėra paprasta: būtina išlaikyti tam tikrą visų jos komponentų energijos tankį.
Jau devintajame dešimtmetyje mokslininkai tiksliai žinojo vadinamąjį kritinį tankį, kuris užtikrina erdviškai plokščią Visatą. Tačiau gauti barioninės medžiagos kiekio galaktikos klasteriuose matavimo rezultatai kartu su tankiu, kurį galėjo suteikti Didysis sprogimas, veikiau rodė mažą materijos tankį erdvėje.
Taip pat rutulinių spiečių, labai senų žvaigždžių konglomeratų amžius bylojo apie materijos trūkumą. Paaiškėjo, kad tokie klasteriai gimė mažiausiai prieš 10 milijardų metų: tačiau po Didžiojo sprogimo stebint medžiagos kiekį Visatos plėtimasis turėjo palaipsniui lėtėti ir apskritai jos amžiaus įvertinimas buvo mažesnis. Mūsų pasaulis pasirodė jaunesnis už jo sudedamąsias dalis.
Ia tipo supernovos
Galiausiai mokslininkai įsitikino, kad naujo energijos šaltinio Visatoje reikia ieškoti Ia tipo supernovomis – žvaigždėmis, kurių gyvavimo ciklas baigiasi tokiu intensyviu blyksniu, kad jį galima stebėti Žemėje.
Dvi mokslininkų komandos – Sauliaus Perlmutteris vadovaujamas Supernovos kosmologijos projektas ir Briano Schmidto vadovaujama „High-Z Supernova Research Team“ – pasiūlė metodiką, kaip panaudoti galingiausius pasaulyje teleskopus supernovoms tirti.
Proveržį padarė Čilėje dirbantis astronomas Markas Phillipsas: jis pasiūlė naują būdą Ia tipo supernovų vidiniam šviesumui nustatyti, kuris tiesiogiai susijęs su atstumu iki dangaus kūno. Kita vertus, atstumą iki kai kurių žvaigždžių būtų galima nustatyti naudojant Hablo dėsnį, kuris apibūdina objekto skleidžiamų fotonų bangos ilgio kitimą dėl Visatos plėtimosi.
Paaiškėjo, kad supernovos tolimose galaktikose yra daug „blyškesnės“: jų šviesumas buvo daug mažesnis, nei prognozuota pagal Hablo dėsnį apskaičiuotą atstumą. Kitaip tariant, supernovos turėjo būti daug toliau: taip mokslininkai pirmą kartą pasiūlė, kad Visata ne tik plečiasi, bet ir tam tikru pagreičiu.
Tolimųjų Ia tipo supernovų stebėjimas per naktį pakeitė mokslininkų supratimą apie visatą. Tyrimai parodė, kad apie 70% energijos tankio yra naujas, nežinomas komponentas su neigiamu slėgiu.
Terminą „tamsioji energija“ vėliau pasiūlė kosmologas Michaelas Turneris, ir mokslininkai susidūrė su nauja paslaptimi: paaiškinti jos atsiradimo prigimtį.
Ar galima paaiškinti pagreitėjusį visatos plėtimąsi?
Šiuo metu yra trys teorijų klasės, teigiančios, kad tai yra tamsioji energija. Pirmas variantas postuluoja energijos egzistavimą vakuume: iš tikrųjų tai buvo grįžimas prie kosmologinės konstantos, kurią Einšteinas pasiūlė išlaikyti statinę visatą. Naujoje versijoje vakuumo tankis yra vienodas visoje erdvėje, tačiau neatmetama galimybė, kad jis gali keistis laikui bėgant.
Antras variantas kvintesencija, kurią pasiūlė vokiečių fizikas Christophas Wetterichas, rodo naujo lauko buvimą – iš tikrųjų naujų dalelių, kurios prisideda prie bendro visatos tankio. Tokių dalelių energija kinta ne tik laikui bėgant, bet ir erdvėje: kad nebūtų didelių tamsiosios energijos tankio svyravimų, dalelės turi būti pakankamai šviesios. Tai, ko gero, ir yra pagrindinė kvintesencijos problema: siūlomi dalelių variantai, remiantis pagrindiniais šiuolaikinės fizikos principais, negali pasirodyti lengvi, o, priešingai, įgauna didelę masę ir šiuo metu jokių požymių nėra. šio scenarijaus buvo gauta.
Į trečias variantas apima įvairias modifikuotos gravitacijos teorijas, kuriose masyvių objektų sąveika nepaklūsta standartiniams Bendrosios reliatyvumo teorijos (GR) dėsniams. Egzistuoja labai daug gravitacijos modifikacijų, tačiau iki šiol eksperimentų metu nenukrypimų nuo bendrosios reliatyvumo teorijos neaptikta.
Tamsioji energija, nepaisant didžiulio indėlio į Visatos būklę, atkakliai „slepiasi“ nuo stebėtojų, o tiriamos tik netiesioginės jos savybių apraiškos. Tarp jų pagrindinį vaidmenį atlieka barioniniai akustiniai virpesiai, kosminės mikrobangų foninės spinduliuotės anizotropija ir silpnas gravitacinis lęšis.
Barioniniai akustiniai virpesiai
Barioniniai akustiniai virpesiai arba trumpiau BAO yra stebimas periodiškas įprastos barioninės medžiagos tankio pokytis dideliais masteliais. Originalioje karštoje kosminėje plazmoje, sudarytoje iš barionų ir fotonų, varžėsi du procesai: viena vertus, gravitacinė trauka ir, kita vertus, atstūmimas dėl energijos išsiskyrimo vykstant reakcijoms tarp materijos ir fotonų. Tokia „opozicija“ sukėlė akustinius virpesius, kaip garso bangas ore tarp skirtingo tankio sričių.
Visatai atvėsus, tam tikru momentu įvyko rekombinacija – atskiroms dalelėms tapo pelningiau formuoti atomus, o fotonai iš tikrųjų tapo „laisvi“ ir atsiskyrė nuo materijos. Tuo pačiu metu dėl vibracijų medžiaga sugebėjo išsibarstyti per tam tikrą atstumą, vadinamą garso horizontu. Horizonto poveikis šiuo metu stebimas galaktikų pasiskirstymui visatoje.
Pats garso horizontas yra kosmologiškai nuspėjamas dydis. Tai tiesiogiai priklauso nuo Hablo parametro, kuris lemia Visatos plėtimosi greitį, o tai savo ruožtu taip pat lemia tamsiosios energijos parametrai.
CMB spinduliuotė
Mikrobangų reliktinė spinduliuotė yra tolimojo Didžiojo sprogimo „aidas“, tolygiai užpildantis Visatą beveik tokios pat energijos fotonais. Šiuo metu būtent reliktinė spinduliuotė yra pagrindinis įvairių kosmologinių modelių apribojimų šaltinis.
Tačiau padidėjus prietaisų jautrumui, buvo nustatyta, kad kosminė mikrobangų foninė spinduliuotė yra anizotropinė ir turi nehomogeniškumo – iš vienų krypčių fotonų ateina kiek daugiau nei iš kitų. Tokį skirtumą, be kita ko, lemia ir nehomogeniškumo buvimas materijos pasiskirstyme, o „karštų“ ir „šaltų“ dėmių pasiskirstymo mastą danguje lemia tamsiosios energijos savybės.
Silpnas gravitacinis lęšis
Kitas svarbus tamsiosios energijos tyrimo efektas yra gravitacinis tamsusis lęšis, kurį sudaro šviesos pluoštų nukreipimas materijos lauke. Objektyvas vienu metu leidžia ištirti Visatos struktūrą ir jos geometriją, tai yra, erdvės ir laiko formą.
Yra įvairių gravitacinių lęšių tipų, tarp kurių patogiausias tamsiosios energijos tyrimams yra silpnas lęšis dėl šviesos nukreipimo dėl didelio masto Visatos struktūros, dėl kurios tolimų galaktikų vaizdai susilieja.
Tamsioji energija vienu metu veikia tiek šaltinio savybes, kaip atstumą iki jo, tiek vaizdą iškreipiančios erdvės savybes. Todėl silpnas objektyvas, atsižvelgiant į nuolat atnaujinamus astronominius duomenis, yra dvigubai svarbus būdas nustatyti tamsiosios energijos savybių ribas.
Tamsioji energija vis dar yra šešėlyje
Apibendrinant, ko fizikams pavyko išmokti per beveik trisdešimties metų patirtį tiriant tamsiąją energiją?
Labai tiksliai žinoma, kad tamsioji energija turi neigiamą slėgį: be to, slėgio priklausomybės nuo energijos tankio lygtis yra labai tiksliai nustatyta, ir jokia kita mums žinoma terpė neturi tokių savybių.
Tamsioji energija yra erdviškai vienalytė, o jos indėlis į energijos tankį tapo dominuojančiu palyginti neseniai, maždaug prieš penkis milijardus metų; tuo pačiu metu jis veikia atstumus tarp objektų ir pačią Visatos sandarą.
Įvairūs kosmologiniai eksperimentai leidžia tirti tamsiąją energiją, tačiau šiuo metu matavimo paklaidos yra per didelės, kad būtų galima tiksliai prognozuoti. Kol kas mokslininkams dar aiškiai toli iki atsakymo į klausimą apie tamsiosios energijos prigimtį, kuri jau daugelį milijardų metų slapta valdė Visatos struktūrą.
Jei iš smalsumo paimsime į rankas žinyną ar kokį populiaraus mokslo vadovą, tikrai užklysime į vieną iš Visatos atsiradimo teorijos versijų – vadinamąją „didžiojo sprogimo“ teoriją. Trumpai šią teoriją galima nusakyti taip: iš pradžių visa materija buvo suspausta į vieną „tašką“, kurio temperatūra buvo neįprastai aukšta, o vėliau šis „taškas“ sprogo su milžiniška jėga. Dėl sprogimo iš itin karšto subatominių dalelių debesies, palaipsniui besiplečiančio į visas puses, palaipsniui susiformavo atomai, medžiagos, planetos, žvaigždės, galaktikos ir galiausiai gyvybė.
Tuo pačiu metu Visatos plėtimasis tęsiasi ir nežinia, kiek jis tęsis: galbūt kada nors ji pasieks savo sienas.
Kosmologijos išvados pagrįstos ir fizikos dėsniais, ir stebėjimo astronomijos duomenimis. Kaip ir bet kuris mokslas, kosmologija savo struktūroje, be empirinio ir teorinio lygmenų, turi ir filosofinių prielaidų lygmenį, filosofinius pagrindus.
Taigi šiuolaikinė kosmologija remiasi prielaida, kad gamtos dėsniai, nustatyti tiriant labai ribotą Visatos dalį, dažniausiai remiantis eksperimentais Žemėje, gali būti ekstrapoliuojami į daug didesnes sritis, galiausiai. visai Visatai.
Ši prielaida apie gamtos dėsnių stabilumą erdvėje ir laike priklauso šiuolaikinės kosmologijos filosofinių pagrindų lygiui.
Šiuolaikinės kosmologijos atsiradimas siejamas su reliatyvistinės gravitacijos teorijos – Einšteino (1916) bendrosios reliatyvumo teorijos – sukūrimu.
Iš Einšteino bendrosios reliatyvumo teorijos lygčių seka erdvės laiko kreivumas ir kreivės santykis su masės (energijos) tankiu.
Taikydamas bendrąją reliatyvumo teoriją visai Visatai, Einšteinas atrado, kad nėra tokio lygčių sprendimo, kuris atitiktų visatą, kuri laikui bėgant nekinta.
Tačiau Einšteinas visatą įsivaizdavo kaip stacionarią. Todėl į gautas lygtis jis įvedė papildomą terminą, užtikrinantį Visatos stacionarumą.
XX amžiaus trečiojo dešimtmečio pradžioje sovietų matematikas A. A. Fridmanas pirmasis išsprendė visos Visatos bendrosios reliatyvumo teorijos lygtis, nenustatydamas stacionarumo sąlygų.
Jis parodė, kad visata, pripildyta gravitacinės medžiagos, turi plėstis arba trauktis.
Friedmano gautos lygtys sudaro šiuolaikinės kosmologijos pagrindą.
1929 metais amerikiečių astronomas E. Hablas paskelbė straipsnį „Relationship between distance and radial speed of extragalactic ūkai“, kuriame padarė išvadą: „Tolimos galaktikos tolsta nuo mūsų greičiu, proporcingu atstumui nuo mūsų.
Tokią išvadą Hablas padarė remdamasis empiriniu tam tikro fizikinio poveikio – raudonojo poslinkio – nustatymu, t.y.
šaltinio spektro linijų bangų ilgių padidėjimas (linijų poslinkis į raudonąją spektro dalį), lyginant su etaloninių spektrų linijomis dėl Doplerio efekto galaktikų spektruose.
Hablo atradimas apie raudonojo poslinkio efektą, galaktikų nuosmukį, yra besiplečiančios visatos koncepcijos pagrindas.
Remiantis šiuolaikinėmis kosmologinėmis sampratomis, Visata plečiasi, tačiau plėtimosi centro nėra: iš bet kurio Visatos taško plėtimosi modelis bus vienodas, būtent visos galaktikos turės raudonąjį poslinkį, proporcingą jų atstumui.
Pati erdvė tarsi išpūsta.
Jei piešiate galaktikas ant baliono ir pradėsite jį pripūsti, tada atstumai tarp jų padidės ir kuo greičiau, tuo toliau jie bus vienas nuo kito. Vienintelis skirtumas yra tas, kad pačios ant rutulio nupieštos galaktikos didėja, o tikrosios žvaigždžių sistemos visoje Visatoje išlaiko savo tūrį dėl gravitacijos jėgų.
Viena didžiausių problemų, su kuria susiduria „didžiojo sprogimo“ teorijos šalininkai, yra būtent ta, kad nė vienas iš jų siūlomų visatos atsiradimo scenarijų negali būti aprašytas matematiškai ar fiziškai.
Remiantis pagrindinėmis „didžiojo sprogimo“ teorijomis, pradinė Visatos būsena buvo be galo mažas taškas su be galo dideliu tankiu ir be galo aukšta temperatūra. Tačiau tokia būsena peržengia matematinės logikos ribas ir negali būti apibūdinta formaliai. Taigi iš tikrųjų apie pradinę Visatos būseną nieko aiškaus pasakyti negalima, o skaičiavimai čia nepavyksta. Todėl ši valstybė mokslininkų tarpe gavo „reiškinio“ pavadinimą.
Kadangi ši kliūtis dar neįveikta, plačiajai visuomenei skirtuose mokslo populiarinimo leidiniuose „reiškinio“ tema dažniausiai visai praleidžiama, o specializuotuose moksliniuose leidiniuose ir leidiniuose, kurių autoriai bando kažkaip susidoroti su šia matematine problema, apie Kembridžo universiteto matematikos profesorius Stephenas Hawkingas ir Keiptauno universiteto matematikos profesorius J.F.R. Ellis savo knygoje „The Long Scale of Space-time Structure“ teigia, kad „reiškinys“ yra moksliškai nepriimtinas. : „Mūsų rezultatai patvirtina mintį, kad visata atsirado prieš ribotą skaičių metų.
Tačiau visatos atsiradimo teorijos išeities taškas – vadinamasis „reiškinys“ – yra už žinomų fizikos dėsnių ribų.
Kaip buvo atrastas visatos plėtimasis?
Tada tenka pripažinti, kad norint pateisinti „reiškinį“, šį kertinį „didžiojo sprogimo“ teorijos akmenį, reikia pripažinti galimybę panaudoti tyrimo metodus, kurie peržengia šiuolaikinės fizikos ribas.
„Fenomenas“, kaip ir bet kuris kitas „visatos pradžios“ pradžios taškas, apimantis tai, ko negalima apibūdinti mokslinėmis kategorijomis, lieka atviras klausimas.
Tačiau kyla toks klausimas: iš kur atsirado pats „reiškinys“, kaip jis susiformavo? Juk „reiškinio“ problema yra tik dalis daug didesnės problemos, paties pradinės Visatos būsenos šaltinio problemos. Kitaip tariant, jei Visata iš pradžių buvo suspausta į tašką, kas ją atvedė į tokią būseną? Ir net jei atsisakytume teorinių sunkumų sukeliančio „reiškinio“, vis tiek lieka klausimas: kaip susiformavo Visata?
Bandydami apeiti šį sunkumą, kai kurie mokslininkai siūlo vadinamąją „pulsuojančios visatos“ teoriją.
Jų nuomone, Visata yra begalinė, vėl ir vėl, ji susitraukia iki taško, tada išsiplečia iki kažkokių ribų. Tokia visata neturi nei pradžios, nei pabaigos, yra tik plėtimosi ir susitraukimo ciklas. Tuo pačiu metu hipotezės autoriai teigia, kad Visata egzistavo visada, todėl tarsi visiškai pašalinamas „pasaulio pradžios“ klausimas.
Tačiau faktas yra tas, kad niekas dar nepateikė patenkinamo pulsacijos mechanizmo paaiškinimo.
Kodėl Visata pulsuoja? Kokios to priežastys? Fizikas Stevenas Weinbergas savo knygoje „Pirmosios trys minutės“ nurodo, kad su kiekvienu sekančiu pulsavimu Visatoje neišvengiamai turi didėti fotonų skaičiaus ir nukleonų skaičiaus santykis, o tai veda prie naujų pulsacijų išnykimo.
Weinbergas daro išvadą, kad tokiu būdu Visatos pulsavimo ciklų skaičius yra baigtinis, o tai reiškia, kad tam tikru momentu jie turi sustoti. Todėl „pulsuojanti Visata“ turi pabaigą, vadinasi, ir pradžią.
2011 m. Nobelio fizikos premija buvo skirta Supernovos kosmologijos projekto dalyviui Sauliui Perlmutteriui iš Lawrence'o Berkeley nacionalinės laboratorijos, taip pat High-z Supernova tyrimų grupės nariams Brianui P.
Schmidtas iš Australijos nacionalinio universiteto ir Adam G. Riess iš Johns Hopkins universiteto.
Trys mokslininkai pasidalijo prizą už atradimą, kad visatos plėtimasis spartėja stebint tolimas supernovas. Jie tyrinėjo specialų Ia tipo supernovų tipą.
Tai sprogusios senos kompaktiškos žvaigždės, sunkesnės už Saulę, bet Žemės dydžio. Viena tokia supernova gali skleisti tiek šviesos, kiek visa žvaigždžių galaktika. Dviem tyrėjų komandoms pavyko aptikti daugiau nei 50 tolimų supernovų Ia, kurių šviesa pasirodė silpnesnė nei tikėtasi.
Tai buvo įrodymas, kad visatos plėtimasis spartėja. Tyrimas ne kartą užkliuvo už paslapčių ir sudėtingų problemų, tačiau galiausiai abi mokslininkų komandos priėjo prie vienodų išvadų apie visatos plėtimosi pagreitį.
Šis atradimas tikrai nuostabus.
Jau žinome, kad po Didžiojo sprogimo maždaug prieš 14 milijardų metų visata pradėjo plėstis. Tačiau atradimas, kad ši plėtra vis spartėja, išgąsdino pačius atradėjus.
Paslaptingo pagreičio priežastis siejama su hipotetine tamsiąja energija, kuri, kaip manoma, sudaro apie tris ketvirtadalius visatos, tačiau vis tiek išlieka didžiausia šiuolaikinės fizikos paslaptimi.
Astronomija
Astronomija->Plečiasi visata->
Testavimas internetu
medžiaga iš Stepheno Hawkingo ir Leonardo Mlodinovo knygos „Trumpiausia laiko istorija“
Doplerio efektas
XX amžiaus ketvirtajame dešimtmetyje, kai astronomai pradėjo tirti kitų galaktikų žvaigždžių spektrus, buvo atrasta kai kas labai įdomaus: paaiškėjo, kad jos yra tokios pat būdingos trūkstamų spalvų rinkiniai, kaip ir mūsų galaktikos žvaigždės, tačiau visos jos buvo pasislinkusios link žvaigždžių. raudonas spektro galas. , ir ta pačia proporcija.
Fizikams spalvų ar dažnio poslinkis yra žinomas kaip Doplerio efektas.
Visi žinome, kaip šis reiškinys veikia garsą. Klausykitės pro šalį važiuojančio automobilio garso.
Besiplečianti Visata
Jam priartėjus jo variklio ar garso signalo garsas atrodo didesnis, o kai automobilis jau pravažiavo ir pradėjo tolti, garsas sumažėja. Šimto kilometrų per valandą greičiu link mūsų važiuojantis policijos automobilis išvysto apie dešimtadalį garso greičio. Jo sirenos garsas yra banga, kaitaliojantys keteros ir loviai. Prisiminkite, kad atstumas tarp artimiausių keterų (arba lovių) vadinamas bangos ilgiu. Kuo trumpesnis bangos ilgis, tuo daugiau vibracijų pasiekia mūsų ausį kas sekundę ir tuo didesnis garso tonas arba dažnis.
Doplerio efektą sukelia tai, kad artėjantis automobilis, skleisdamas kiekvieną kitą garso bangos keterą, bus arčiau mūsų, todėl atstumai tarp keterų bus mažesni nei tuo atveju, jei automobilis stovėtų vietoje.
Tai reiškia, kad pas mus ateinančių bangų bangų ilgiai trumpėja, o jų dažnis didėja. Ir atvirkščiai, automobiliui pajudėjus, mūsų gaudomų bangų ilgis pailgėja, o jų dažnis sumažėja. O kuo greičiau automobilis juda, tuo stipriau pasireiškia Doplerio efektas, leidžiantis juo matuoti greitį.
Kai šaltinis, skleidžiantis bangas, juda link stebėtojo, bangos ilgis mažėja.
Priešingai, pašalinus šaltinį, jis didėja. Tai vadinama Doplerio efektu.
Šviesa ir radijo bangos elgiasi panašiai. Policija naudoja Doplerio efektą, kad nustatytų transporto priemonių greitį, matuojant nuo jų atsispindinčio radijo signalo bangos ilgį.
Šviesa yra elektromagnetinio lauko vibracija arba banga. Matomos šviesos bangos ilgis yra itin mažas – nuo keturiasdešimties iki aštuoniasdešimties milijonųjų metro dalių. Žmogaus akis skirtingo bangos ilgio šviesos bangas suvokia kaip skirtingas spalvas, kurių ilgiausi bangos ilgiai atitinka raudonąjį spektro galą, o trumpiausi – susiję su mėlynuoju.
Dabar įsivaizduokite šviesos šaltinį, esantį pastoviu atstumu nuo mūsų, pavyzdžiui, žvaigždę, skleidžiančią tam tikro bangos ilgio šviesos bangas. Užfiksuojamų bangų ilgis bus toks pat kaip ir skleidžiamų. Bet tarkime, kad dabar šviesos šaltinis pradėjo tolti nuo mūsų. Kaip ir garso atveju, tai padidins šviesos bangos ilgį, o tai reiškia, kad spektras pasislinks raudonojo galo link.
Visatos plėtimasis
Įrodžiusi kitų galaktikų egzistavimą, Hablas vėlesniais metais užsiėmė atstumų iki jų nustatymu ir jų spektrų stebėjimu.
Tuo metu daugelis manė, kad galaktikos juda atsitiktinai, ir tikėjosi, kad mėlynai pasislinkusių spektrų skaičius bus maždaug toks pat, kaip ir raudonai poslinkių. Todėl buvo visiška staigmena atradus, kad daugumos galaktikų spektrai rodo raudonąjį poslinkį – beveik visos žvaigždžių sistemos tolsta nuo mūsų!
Dar labiau nustebino Hablo atrastas ir 1929 metais paskelbtas faktas: galaktikų raudonojo poslinkio dydis nėra atsitiktinis, o tiesiogiai proporcingas jų atstumui nuo mūsų. Kitaip tariant, kuo toliau nuo mūsų galaktika, tuo greičiau ji tolsta! Iš to išplaukė, kad Visata negali būti statiška, nekintančio dydžio, kaip manyta anksčiau.
Tiesą sakant, jis plečiasi: atstumas tarp galaktikų nuolat auga.
Suvokimas, kad visata plečiasi, protuose padarė tikrą revoliuciją, vieną didžiausių XX amžiuje. Kai pažvelgi atgal, gali atrodyti nuostabu, kad niekas anksčiau apie tai negalvojo. Niutonas ir kiti didieji protai turėjo suprasti, kad statiška visata bus nestabili. Net jei kažkuriuo momentu jis būtų nejudantis, abipusis žvaigždžių ir galaktikų traukimas greitai lemtų jo suspaudimą.
Net jei Visata plėstųsi gana lėtai, gravitacija galiausiai sustabdytų jos plėtimąsi ir priverstų ją susitraukti. Tačiau jei Visatos plėtimosi greitis yra didesnis už kokį nors kritinį tašką, gravitacija niekada negalės to sustabdyti ir visata plėsis amžinai.
Čia galite pamatyti tolimą panašumą į raketą, kylančią iš Žemės paviršiaus.
Esant palyginti mažam greičiui, gravitacija galiausiai sustabdys raketą ir ji pradės kristi link Žemės. Kita vertus, jei raketos greitis yra didesnis nei kritinis (daugiau nei 11,2 kilometro per sekundę), gravitacija negali jos išlaikyti ir ji amžiams palieka Žemę.
1965 m. du amerikiečių fizikai, Arno Penzias ir Robertas Wilsonas iš Bell Telephone Laboratories Naujajame Džersyje, derino labai jautrų mikrobangų imtuvą.
(Mikrobangos yra maždaug centimetro bangos ilgio spinduliuotė.) Penzias ir Wilsonas nerimavo, kad imtuvas ima daugiau triukšmo, nei tikėtasi. Ant antenos jie rado paukščių išmatų ir pašalino kitas galimas gedimo priežastis, tačiau netrukus išnaudojo visus galimus trukdžių šaltinius. Triukšmas skyrėsi tuo, kad buvo registruojamas ištisą parą ištisus metus, neatsižvelgiant į Žemės sukimąsi aplink savo ašį ir jos apsisukimą aplink Saulę. Kadangi Žemės judėjimas nusiuntė imtuvą į skirtingus erdvės sektorius, Penzias ir Wilsonas padarė išvadą, kad triukšmas kyla iš Saulės sistemos ribų ir net iš galaktikos ribų.
Atrodė, kad tai vienodai atkeliavo iš visų kosmoso pusių. Dabar žinome, kad visur, kur būtų nukreiptas imtuvas, šis triukšmas išlieka pastovus, neskaitant nereikšmingų svyravimų. Taigi Penziasas ir Wilsonas netikėtai aptiko ryškų pavyzdį, kad visata visomis kryptimis yra vienoda.
Kokia šio kosminio foninio triukšmo kilmė? Maždaug tuo pačiu metu, kai Penzias ir Wilsonas tyrė paslaptingą imtuve esantį triukšmą, du amerikiečių fizikai iš Prinstono universiteto Bobas Dickas ir Jimas Peeblesas taip pat susidomėjo mikrobangų krosnelėmis.
Jie ištyrė George'o (George'o) Gamow prielaidą, kad ankstyvosiose vystymosi stadijose Visata buvo labai tanki ir karšta. Dickas ir Peeblesas manė, kad jei tai tiesa, turėtume stebėti ankstyvosios visatos švytėjimą, nes šviesa iš labai tolimų mūsų pasaulio regionų mus pasiekia tik dabar. Tačiau dėl Visatos plėtimosi ši šviesa turi būti taip stipriai pasislinkusi į raudonąjį spektro galą, kad iš matomos spinduliuotės virstų mikrobangų spinduliuote.
Dickas ir Peeblesas kaip tik ruošėsi ieškoti šios spinduliuotės, kai Penzias ir Wilsonas, išgirdę apie savo darbą, suprato, kad jį jau rado.
Už šį atradimą Penzias ir Wilsonas 1978 metais buvo apdovanoti Nobelio premija (tai atrodo kiek nesąžininga Dickui ir Peeblesui, jau nekalbant apie Gamow).
Iš pirmo žvilgsnio tai, kad visata bet kuria kryptimi atrodo vienodai, rodo, kad mes joje užimame kažkokią ypatingą vietą. Visų pirma, gali atrodyti, kad kadangi visos galaktikos tolsta nuo mūsų, mes turime būti visatos centre.
Tačiau yra ir kitas šio reiškinio paaiškinimas: Visata gali atrodyti taip pat visomis kryptimis iš bet kurios kitos galaktikos.
Visos galaktikos tolsta viena nuo kitos.
Tai primena spalvotų dėmių plitimą ant pripūsto baliono paviršiaus. Didėjant kamuoliuko dydžiui, atstumai tarp bet kurių dviejų dėmių taip pat didėja, tačiau šiuo atveju nė vienos iš dėmių negalima laikyti išsiplėtimo centru.
Be to, jei baliono spindulys nuolat auga, kuo toliau vienas nuo kito yra dėmės ant jo paviršiaus, tuo greičiau jos bus pašalintos plečiantis. Tarkime, baliono spindulys padvigubėja kas sekundę.
Tada dvi dėmės, iš pradžių atskirtos vieno centimetro atstumu, per sekundę bus jau dviejų centimetrų atstumu viena nuo kitos (jei matuojama palei baliono paviršių), kad jų santykinis greitis būtų vienas centimetras per sekundę. .
Kita vertus, pora dėmių, kurias skyrė dešimt centimetrų, praėjus vienai sekundei nuo plėtimosi pradžios, pasislinks dvidešimčia centimetrų, todėl jų santykinis greitis bus dešimt centimetrų per sekundę. Greitis, kuriuo bet kurios dvi galaktikos tolsta viena nuo kitos, yra proporcingas atstumui tarp jų.
Taigi galaktikos raudonasis poslinkis turėtų būti tiesiogiai proporcingas jos atstumui nuo mūsų – tai ta pati priklausomybė, kurią vėliau atrado Hablas. Rusų fizikas ir matematikas Aleksandras Fridmanas 1922 metais sugebėjo pasiūlyti sėkmingą modelį ir numatyti Hablo stebėjimų rezultatus, jo darbai Vakaruose liko beveik nežinomi, kol 1935 metais panašų modelį pasiūlė amerikiečių fizikas Howardas Robertsonas ir britų matematikas. Arthuras Walkeris, jau po Hablo atradimo. Visatos plėtimasis.
Visatai plečiantis, galaktikos tolsta viena nuo kitos.
Laikui bėgant atstumas tarp tolimų žvaigždžių salų didėja labiau nei tarp gretimų galaktikų, kaip tai atsitinka su dėmėmis ant pripučiamo baliono.
Todėl stebėtojui iš bet kurios galaktikos kitos galaktikos pašalinimo greitis atrodo didesnis, kuo toliau ji yra.
Trys visatos plėtimosi tipai
Pirmoji sprendimų klasė (tas, kurią rado Friedmanas) daro prielaidą, kad visatos plėtimasis yra pakankamai lėtas, todėl trauka tarp galaktikų palaipsniui jį sulėtina ir galiausiai sustabdo.
Po to galaktikos pradeda konverguoti, o Visata ima trauktis. Pagal antrosios klasės sprendimus, Visata plečiasi taip sparčiai, kad gravitacija tik šiek tiek pristabdys galaktikų nuosmukį, bet niekada negalės jo sustabdyti. Galiausiai yra trečias sprendimas, pagal kurį Visata plečiasi tik tokiu greičiu, kad išvengtų žlugimo. Laikui bėgant galaktikų plėtimosi greitis tampa vis mažesnis, bet niekada nepasiekia nulio.
Nuostabi pirmojo Friedmano modelio ypatybė yra ta, kad jame Visata erdvėje nėra begalinė, tačiau tuo pačiu erdvėje niekur nėra ribų.
Gravitacija tokia stipri, kad erdvė susisuka ir užsidaro pati savaime. Tai šiek tiek panašu į Žemės paviršių, kuris taip pat yra baigtinis, bet neturi ribų. Jei judėsite Žemės paviršiumi tam tikra kryptimi, niekada nesusidursite su neįveikiama kliūtimi ar pasaulio pakraščiu, bet galiausiai grįšite ten, nuo ko pradėjote.
Pirmajame Friedmano modelyje erdvė išdėstyta lygiai taip pat, bet trimis matmenimis, o ne dviem, kaip Žemės paviršiaus atveju. Idėja, kad galima apeiti visatą ir grįžti į pradinį tašką, yra naudinga mokslinei fantastikai, bet neturi praktinės vertės, nes, kaip galima parodyti, visata susitrauks iki taško, kol keliautojas grįš į pradžią. jo kelionės.
Visata tokia didelė, kad reikia judėti greičiau už šviesą, kad baigtum kelionę ten, kur pradėjai, o tokie greičiai draudžiami (reliatyvumo teorija). Antrajame Friedmano modelyje erdvė taip pat išlenkta, bet kitaip.
Ir tik trečiajame modelyje plataus masto Visatos geometrija yra plokščia (nors erdvė yra išlenkta šalia masyvių kūnų).
Kuris iš Friedmano modelių apibūdina mūsų visatą? Ar Visatos plėtimasis kada nors sustos, o jį pakeis susitraukimas, ar Visata plėsis amžinai?
Paaiškėjo, kad atsakyti į šį klausimą yra sunkiau, nei mokslininkai manė iš pradžių. Jo sprendimas daugiausia priklauso nuo dviejų dalykų – šiuo metu stebimo Visatos plėtimosi greičio ir dabartinio jos vidutinio tankio (medžiagos kiekio erdvės tūrio vienete).
Kuo didesnis dabartinis plėtimosi greitis, tuo didesnė gravitacija, taigi ir medžiagos tankis, reikalingas plėtimuisi sustabdyti. Jei vidutinis tankis viršija kokią nors kritinę vertę (nustatytą pagal plėtimosi greitį), tai gravitacinė materijos trauka gali sustabdyti visatos plėtimąsi ir priversti ją susitraukti. Toks Visatos elgesys atitinka pirmąjį Friedmano modelį.
Jei vidutinis tankis yra mažesnis už kritinę reikšmę, tai gravitacinė trauka nesustabdys plėtimosi ir Visata plėsis amžinai – kaip ir antrajame Friedmanno modelyje. Galiausiai, jei vidutinis visatos tankis yra tiksliai lygus kritinei vertei, visatos plėtimasis sulėtės amžinai, priartėdamas prie statinės būsenos, bet niekada jos nepasiekdamas.
Šis scenarijus atitinka trečiąjį Friedmano modelį.
Taigi, kuris modelis yra teisingas? Galime nustatyti dabartinį Visatos plėtimosi greitį, jei išmatuosime kitų galaktikų tolimo nuo mūsų greitį naudodami Doplerio efektą.
Tai galima padaryti labai tiksliai. Tačiau atstumai iki galaktikų nėra gerai žinomi, nes galime juos matuoti tik netiesiogiai. Todėl žinome tik tiek, kad Visatos plėtimosi greitis yra nuo 5 iki 10% per milijardą metų. Dar miglotesnės yra mūsų žinios apie dabartinį vidutinį visatos tankį. Taigi, jei sudėsime visų savo ir kitų galaktikų matomų žvaigždžių mases, suma yra mažesnė nei šimtoji dalis to, ko reikia visatos plėtimuisi sustabdyti, net ir esant mažiausiam plėtimosi greičio įvertinimui.
Bet tai dar ne viskas.
Mūsų pačių ir kitose galaktikose turi būti didelis kiekis kažkokios „tamsiosios materijos“, kurios negalime tiesiogiai stebėti, bet kurios egzistavimą žinome dėl jos gravitacinės įtakos žvaigždžių orbitoms galaktikose. Turbūt geriausias tamsiosios medžiagos egzistavimo įrodymas yra žvaigždžių orbitos spiralinių galaktikų, tokių kaip Paukščių Takas, periferijoje.
Šios žvaigždės per greitai sukasi aplink savo galaktikas, kad jas galėtų išlaikyti orbitoje vien tik galaktikos matomų žvaigždžių gravitacija. Be to, dauguma galaktikų yra spiečių dalis, todėl tamsiosios materijos buvimą tarp galaktikų šiose grupėse galime daryti panašiai pagal jos poveikį galaktikų judėjimui.
Tiesą sakant, tamsiosios medžiagos kiekis Visatoje gerokai viršija įprastos materijos kiekį. Jei atsižvelgsime į visą tamsiąją medžiagą, gautume maždaug dešimtadalį masės, kurios reikia plėtimuisi sustabdyti.
Tačiau neįmanoma atmesti kitų, mums dar nežinomų, beveik tolygiai visoje Visatoje pasiskirstytų materijos formų, kurios galėtų padidinti jos vidutinį tankį, egzistavimo.
Pavyzdžiui, yra elementariųjų dalelių, vadinamų neutrinais, kurios labai silpnai sąveikauja su medžiaga ir jas itin sunku aptikti.
Per pastaruosius kelerius metus įvairios tyrėjų grupės ištyrė mažiausius mikrobangų fono bangavimus, kuriuos aptiko Penziasas ir Wilsonas. Šio bangavimo dydis gali būti didelio masto visatos struktūros rodiklis. Jos charakteris rodo, kad visata vis dar plokščia (kaip ir trečiajame Friedmano modelyje)!
Tačiau kadangi bendro įprastos ir tamsiosios materijos kiekio tam neužtenka, fizikai postulavo kitos, dar neatrastos, substancijos – tamsiosios energijos – egzistavimą.
Ir tarsi dar labiau apsunkintų problemą, tai parodė naujausi stebėjimai visatos plėtimasis ne lėtėja, o greitėja.
Priešingai nei visi Friedman modeliai! Tai labai keista, nes materijos buvimas erdvėje – didelio ar mažo tankio – gali tik sulėtinti plėtimąsi. Juk gravitacija visada veikia kaip traukos jėga. Kosmologinio plėtimosi pagreitis yra tarsi bomba, kuri po sprogimo energiją renka, o ne išsklaido.
Kokia jėga yra atsakinga už spartėjantį kosmoso plėtimąsi? Niekas neturi patikimo atsakymo į šį klausimą. Tačiau Einšteinas galėjo būti teisus, kai į savo lygtis įtraukė kosmologinę konstantą (ir atitinkamą antigravitacijos efektą).
Einšteino klaida
Visatos plėtimąsi buvo galima nuspėti bet kada XIX ar XVIII amžiuje ir net XVII amžiaus pabaigoje.
Tačiau tikėjimas statiška visata buvo toks stiprus, kad kliedesiai vyravo protuose iki XX amžiaus pradžios. Net Einšteinas buvo toks tikras dėl statinės visatos prigimties, kad 1915 m. padarė specialią bendrosios reliatyvumo teorijos pataisą, dirbtinai pridėdamas prie lygčių specialų terminą, vadinamą kosmologine konstanta, kuri užtikrino visatos statiškumą. .
Kosmologinė konstanta pasireiškė kaip kažkokios naujos jėgos – „antigravitacijos“ – veikimas, kuri, skirtingai nei kitos jėgos, neturėjo apibrėžto šaltinio, o buvo tiesiog neatskiriama savybė, neatskiriama pačiam erdvėlaikio audiniui.
Šios jėgos įtakoje erdvėlaikis parodė įgimtą tendenciją plėstis. Pasirinkdamas kosmologinės konstantos vertę, Einšteinas galėjo keisti šios tendencijos stiprumą. Su jo pagalba jam pavyko tiksliai subalansuoti abipusį visos esamos medžiagos trauką ir gauti statinę visatą.
Vėliau Einšteinas atmetė kosmologinės konstantos idėją kaip savo „didžiausią klaidą“.
Kaip netrukus pamatysime, šiandien yra priežasčių manyti, kad Einšteinas galų gale buvo teisus įvesdamas kosmologinę konstantą. Tačiau Einšteiną labiausiai nuliūdino tai, kad jis leido savo tikėjimui stacionaria visata viršyti jo paties teorijos numatytą išvadą, kad visata turi plėstis. Atrodo, kad tik vienas žmogus įžvelgė šią bendrosios reliatyvumo teorijos pasekmę ir į tai žiūrėjo rimtai. Kol Einšteinas ir kiti fizikai ieškojo būdų, kaip išvengti, kad visata nebūtų statiška, rusų fizikas ir matematikas Aleksandras Fridmanas, priešingai, tvirtino, kad visata plečiasi.
Friedmanas padarė dvi labai paprastas prielaidas apie visatą: kad ji atrodo vienodai, kad ir kur bežiūrėtume, ir kad ši prielaida yra teisinga, kad ir iš kur žiūrėtume.
Remdamasis šiomis dviem idėjomis ir išspręsdamas bendrosios reliatyvumo teorijos lygtis, jis įrodė, kad visata negali būti statiška. Taigi, 1922 m., likus keleriems metams iki Edvino Hablo atradimo, Friedmanas tiksliai numatė visatos plėtimąsi!
Prieš šimtmečius krikščionių bažnyčia būtų pripažinusi ją eretiška, nes bažnyčios doktrina postulavo, kad visatos centre mes užimame ypatingą vietą.
Tačiau šiandien mes priimame Friedmano prielaidą dėl beveik priešingos priežasties, savotiško kuklumo: mums būtų visiškai netikėta, jei Visata visomis kryptimis atrodytų vienoda tik mums, bet ne kitiems visatos stebėtojams!
VISATA(iš graikų kalbos „oecumene“ – apgyvendinta, apgyvendinta žemė) – „viskas, kas egzistuoja“, „visapusiška pasaulio visuma“, „visų dalykų visuma“; šių terminų reikšmė yra dviprasmiška ir nulemta konceptualaus konteksto.
Yra bent trys „Visatos“ sąvokos lygiai.
1. Visata kaip filosofinė idėja turi reikšmę, artimą „universumo“ arba „pasaulio“ sąvokai: „materialusis pasaulis“, „sukurta būtybė“ ir tt Ji vaidina svarbų vaidmenį Europos filosofijoje. Visatos vaizdiniai filosofinėse ontologijose buvo įtraukti į mokslinio Visatos tyrimo filosofinius pagrindus.
2. Visata fizinėje kosmologijoje arba visa Visata kaip visuma yra kosmologinių ekstrapoliacijų objektas.
Tradicine prasme – visapusiška, neribota ir iš esmės unikali fizikinė sistema („Visata publikuojama vienu egzemplioriumi“ – A. Poincaré); materialusis pasaulis, vertinamas fiziniu ir astronominiu požiūriu (A.L. Zelmanovas). Šiuo požiūriu skirtingos Visatos teorijos ir modeliai laikomi nelygiaverčiais to paties originalo viena kitai.
Toks Visatos kaip visumos supratimas buvo pagrįstas įvairiais būdais: 1) nurodant „ekstrapoliacijos prielaidą“: kosmologija kaip tik teigia, kad žinių sistemoje jos konceptualiomis priemonėmis reprezentuoja visapusišką pasaulio visumą, ir tol, kol bus priešingai. įrodyta, šie teiginiai turėtų būti priimti visiškai; 2) logiškai - Visata apibrėžiama kaip visapusiška pasaulio visuma, o kitos Visatos negali egzistuoti pagal apibrėžimą ir pan. Klasikinė, Niutono kosmologija sukūrė Visatos, begalinės erdvėje ir laike, vaizdą, o begalybė buvo laikoma atributine Visatos savybe.
Visuotinai pripažįstama, kad Niutono begalinė vienalytė Visata „sunaikino“ senovės kosmosą. Tačiau moksliniai ir filosofiniai Visatos įvaizdžiai ir toliau egzistuoja kultūroje, vienas kitą turtindami.
Niutono Visata senovės kosmoso vaizdą sunaikino tik ta prasme, kad atskyrė žmogų nuo Visatos ir netgi priešinosi jiems.
Neklasikinėje, reliatyvistinėje kosmologijoje pirmiausia buvo sukurta Visatos teorija.
Jo savybės pasirodė visiškai kitokios nei Niutono. Pagal Friedmano sukurtą besiplečiančios Visatos teoriją, Visata kaip visuma erdvėje gali būti ir baigtinė, ir begalinė, tačiau laike ji bet kuriuo atveju yra baigtinė, t.y.
turėjo pradžią. A.A. Fridmanas tikėjo, kad pasaulis arba Visata, kaip kosmologijos objektas, „yra be galo siauresnė ir mažesnė už filosofo pasaulinę visatą“. Priešingai, didžioji dauguma kosmologų, remdamiesi vienodumo principu, besiplečiančios Visatos modelius tapatino su mūsų metagalaktika. Pradinis metagalaktikos plėtimosi momentas buvo laikomas absoliučia „visko pradžia“, kreacionistiniu požiūriu – kaip „pasaulio sukūrimu“. Kai kurie reliatyvistiniai kosmologai, laikydami vienodumo principą nepakankamai pagrįstu supaprastinimu, Visatą laikė visapusiška, didesnio masto fizine sistema nei metagalaktika, o metagalaktiką tik ribota Visatos dalimi.
Reliatyvistinė kosmologija radikaliai pakeitė Visatos vaizdą moksliniame pasaulio paveiksle.
Ideologine prasme ji grįžo prie senovės kosmoso įvaizdžio ta prasme, kad vėl sujungė žmogų ir (besivystančią) Visatą. Kitas žingsnis šia kryptimi buvo antropinis principas kosmologijoje.
Šiuolaikinis požiūris į Visatos kaip visumos aiškinimą visų pirma grindžiamas filosofinės pasaulio idėjos ir Visatos, kaip kosmologijos objekto, skirtumu; antra, ši sąvoka reliatyvizuojama, t.y. jos apimtis yra susijusi su tam tikru žinių lygiu, kosmologine teorija ar modeliu – grynai kalbine (nepriklausomai nuo jų objekto statuso) arba objektine prasme.
Visata buvo interpretuojama, pavyzdžiui, kaip „didžiausias įvykių rinkinys, kuriam mūsų fiziniai dėsniai gali būti taikomi, vienaip ar kitaip ekstrapoliuoti“ arba „gali būti laikomi fiziškai su mumis susijusiais“ (G. Bondy).
Šio požiūrio raida buvo koncepcija, pagal kurią Visata kosmologijoje yra „viskas, kas egzistuoja“ ne kokia nors absoliučia prasme, o tik tam tikros kosmologinės teorijos požiūriu, t.y. didžiausio masto ir tvarkos fizinė sistema, kurios egzistavimas išplaukia iš tam tikros fizinių žinių sistemos.
Tai santykinė ir laikina žinomo megapasaulio riba, nulemta fizinių žinių sistemos ekstrapoliacijos galimybių. Pagal visą Visatą ne visais atvejais turimas galvoje tas pats „originalas“. Priešingai, skirtingos teorijos gali turėti skirtingus originalus kaip savo objektą, t.y. skirtingos tvarkos ir struktūrinės hierarchijos masto fizinės sistemos. Tačiau visi teiginiai reprezentuoti visaapimančią pasaulio visumą absoliučia prasme lieka nepagrįsti.
Aiškinant Visatą kosmologijoje, reikia skirti potencialų ir realiai egzistuojantį. Tai, kas šiandien laikoma neegzistuojančia, rytoj gali patekti į mokslinių tyrimų lauką, pasirodys esanti (fizikos požiūriu) ir bus įtraukta į mūsų Visatos supratimą. Taigi, jei besiplečiančios Visatos teorija iš esmės apibūdino mūsų metagalaktiką, tai populiariausia infliacinės („pripučiančios“) Visatos teorija šiuolaikinėje kosmologijoje pristato „kitų visatų“ (arba, kalbant empirine kalba) sąvoką. , ekstrametagalaktiniai objektai), pasižymintys kokybiškai skirtingomis savybėmis.
Taigi infliacinė teorija pripažįsta megaskopinį Visatos vienodumo principo pažeidimą ir įveda begalinės Visatos įvairovės principą, kuris yra papildomas pagal prasmę.
Šių visatų visumą I. S. Šklovskis pasiūlė pavadinti „Metavisata“. Todėl infliacinė kosmologija tam tikra forma atgaivina Visatos (Metavisatos) begalybės idėją kaip begalinę jos įvairovę. Tokie objektai kaip metagalaktika infliacinėje kosmologijoje dažnai vadinami „minivisatomis“.
Minivisatos atsiranda dėl spontaniškų fizinio vakuumo svyravimų. Iš šio požiūrio išplaukia, kad pradinis mūsų Visatos, metagalaktikos, plėtimosi momentas nebūtinai turėtų būti laikomas absoliučia visko pradžia.
Tai tik pradinis vienos iš kosmoso sistemų evoliucijos ir savaiminio organizavimo momentas. Kai kuriose kvantinės kosmologijos versijose visatos samprata yra glaudžiai susijusi su stebėtojo egzistavimu („dalyvavimo principas“). „Ar Visata, kurdama tam tikru ribotu egzistavimo etapu stebėtojus-dalyvius, per jų stebėjimus neįgyja apčiuopiamumo, kurį vadiname tikrove? Argi tai ne egzistavimo mechanizmas? (A.J. Wheeleris).
Visatos sąvokos prasmę šiuo atveju taip pat nulemia teorija, paremta skirtumu tarp potencialaus ir realaus Visatos kaip visumos egzistavimo kvantinio principo šviesoje.
3. Visata astronomijoje (stebimi arba astronominė Visata) yra pasaulio regionas, apimtas stebėjimų, o dabar iš dalies ir kosminių eksperimentų, t.y.
„viskas, kas egzistuoja“ astronomijoje turimų stebėjimo priemonių ir tyrimo metodų požiūriu. Astronominė visata yra vis didesnio masto ir sudėtingumo kosminių sistemų, kurias mokslas paeiliui atrado ir ištyrė, hierarchija. Tai Saulės sistema, mūsų žvaigždžių sistema, Galaktika (kurios egzistavimą XVIII a. įrodė W. Herschelis), 1920-aisiais E. Hablo atrasta metagalaktika.
Šiuo metu galima stebėti Visatos objektus, nutolusius nuo mūsų maždaug per atstumą. 9–12 milijardų šviesmečių.
Per visą astronomijos istoriją iki II pusės.
Besiplečiančios visatos samprata.
20 amžiaus astronominėje Visatoje buvo žinomi tie patys dangaus kūnų tipai: planetos, žvaigždės, dujų ir dulkių materija. Šiuolaikinė astronomija atrado iš esmės naujus, anksčiau nežinotus dangaus kūnų tipus, įskaitant.
supertankūs objektai galaktikų šerdyje (galbūt atstovaujantys juodosioms skylėms). Daugelis dangaus kūnų būsenų astronominėje Visatoje pasirodė ryškiai nestacionarios, nestabilios, t.y. esantys bifurkacijos taškuose. Daroma prielaida, kad didžioji dauguma (iki 90–95%) astronominės Visatos materijos yra susitelkusios nematomose, tačiau nepastebimose formose („paslėptoje masėje“).
Literatūra:
1. Fridmanas A.A.
Mėgstamiausias darbai. M., 1965;
2. Begalybė ir Visata. M., 1970;
3. Visata, astronomija, filosofija. M, 1988;
4. Astronomija ir šiuolaikinis pasaulio vaizdas.
5. Bondy H. Kosmologija. Cambr., 1952;
6. Munitzas M. Erdvė, laikas ir kūryba. N.Y., 1965 m.
V. V. Kazyutinskis
Net astronomai ne visada supranta visatos plėtimąsi. Pripučiamas balionas yra sena, bet gera visatos plėtimosi analogija. Rutulio paviršiuje išsidėsčiusios galaktikos yra nejudančios, tačiau plečiantis Visatai atstumas tarp jų didėja, o pačių galaktikų dydžiai nedidėja.
1965 m. liepą mokslininkai paskelbė atradę aiškius Visatos plėtimosi iš karštesnės ir tankesnės pradinės būsenos požymius. Jie rado vėsinantį Didžiojo sprogimo atšvaitą – CMB. Nuo to momento Visatos plėtimasis ir atvėsimas sudarė kosmologijos pagrindą. Kosmologinė plėtra leidžia suprasti, kaip susiformavo paprastos struktūros ir kaip jos palaipsniui virto sudėtingomis. Praėjus 75 metams po visatos plėtimosi atradimo, daugelis mokslininkų negali suprasti tikrosios jos prasmės. Prinstono universiteto kosmologas Jamesas Peeblesas, studijuojantis CMB, 1993 metais rašė: „Man atrodo, kad net ekspertai nežino, kokia yra karštojo Didžiojo sprogimo modelio reikšmė ir galimybės“.
Žymūs fizikai, astronomijos vadovėlių autoriai ir mokslo populiarintojai kartais pateikia neteisingą ar iškreiptą Visatos plėtimosi interpretaciją, kuri buvo Didžiojo sprogimo modelio pagrindas. Ką turime omenyje sakydami, kad visata plečiasi? Neabejotinai glumina aplinkybė, kad dabar kalbama apie plėtimosi pagreitį, ir tai mus glumina.
APŽVALGA: KOSMINĖ KLAIDA
* Visatos plėtimasis, viena iš pagrindinių šiuolaikinio mokslo sąvokų, vis dar interpretuojama skirtingai.
* Sąvoka „Didysis sprogimas“ neturėtų būti suprantama pažodžiui. Jis nebuvo bomba, kuri sprogo visatos centre. Tai buvo pats erdvės sprogimas, kuris vyko visur, kaip ir plečiasi pripūsto baliono paviršius.
* Suprasti skirtumą tarp erdvės plėtimosi ir erdvės plėtimosi labai svarbu suprasti visatos dydį, galaktikų tolimo greitį, taip pat astronominių stebėjimų galimybes ir plėtimosi pagreičio, kurį gali patirti visata, pobūdį. .
* Didžiojo sprogimo modelis tik apibūdina tai, kas įvyko po jo.
Kas yra pratęsimas?
Kai kažkas pažįstamo išsiplečia, pavyzdžiui, drėgna vieta ar Romos imperija, jie tampa didesni, jų ribos tolsta ir jie pradeda užimti didesnį tūrį erdvėje. Tačiau atrodo, kad visata neturi fizinių ribų ir neturi kur judėti. Mūsų visatos plėtimasis labai panašus į baliono pripūtimą. Didėja atstumai iki tolimų galaktikų. Astronomai dažniausiai sako, kad galaktikos tolsta arba bėga nuo mūsų, tačiau jos nejuda erdvėje kaip „Didžiojo sprogimo bombos“ fragmentai. Iš tikrųjų erdvė tarp mūsų ir galaktikų plečiasi, chaotiškai juda praktiškai nejudančių spiečių viduje. CMB užpildo visatą ir tarnauja kaip atskaitos rėmas, kaip baliono guminis paviršius, pagal kurį galima išmatuoti judesį.
Būdami už rutulio ribų, matome, kad jo lenkto dvimačio paviršiaus išsiplėtimas įmanomas tik todėl, kad jis yra trimatėje erdvėje. Trečioje dimensijoje yra rutulio centras, o jo paviršius išsiplečia į jį supantį tūrį. Remiantis tuo, galima daryti išvadą, kad mūsų trimačio pasaulio plėtrai reikalingas ketvirtosios dimensijos buvimas erdvėje. Tačiau pagal bendrąją Einšteino reliatyvumo teoriją erdvė yra dinamiška: ji gali plėstis, trauktis ir lenktis.
Eismo kamštis
Visata yra savarankiška. Nereikia nei centro, kuris iš jo išsiplės, nei laisvos erdvės išorėje (kad ir kur ji būtų) ten plėstis. Tiesa, kai kurios naujesnės teorijos, pavyzdžiui, stygų teorija, postuluoja papildomus matmenis, tačiau jų nereikia, nes plečiasi mūsų trimatė visata.
Mūsų visatoje, kaip ir ant baliono paviršiaus, kiekvienas objektas tolsta nuo visų kitų. Taigi Didysis sprogimas nebuvo sprogimas erdvėje, o veikiau pačios erdvės sprogimas, kuris neįvyko konkrečioje vietoje, o paskui išsiplėtė į aplinkinę tuštumą. Tai vyko visur vienu metu.
KOKS BUVO DIDYSIS SPŪGIS?
NETEISINGAI: Visata gimė, kai materija, kaip bomba, sprogo tam tikroje vietoje. Slėgis buvo didelis centre ir žemas aplinkinėje tuštumoje, todėl materija išsiplėtė.
TEISINGAI: Tai buvo pačios erdvės sprogimas, kuris pajudėjo materiją. Mūsų erdvė ir laikas atsirado Didžiojo sprogimo metu ir pradėjo plėstis. Centro niekur nebuvo, nes sąlygos visur buvo vienodos, nebuvo įprastam sprogimui būdingo slėgio kritimo.
Jei įsivaizduosime, kad filmą rodome atvirkštine tvarka, pamatysime, kaip suspaudžiami visi visatos regionai, o galaktikos susilieja, kol visos jos susidurs per Didįjį sprogimą, kaip automobiliai kamštyje. Tačiau palyginimas nėra baigtas. Jei tai buvo nelaimingas atsitikimas, tada, išgirdę pranešimus apie tai per radiją, galėtumėte išvengti kamščių. Tačiau Didysis sprogimas buvo katastrofa, kurios nepavyko išvengti. Tarsi Žemės paviršius ir visi jame esantys keliai buvo suglamžyti, tačiau automobiliai išliko tokio pat dydžio. Galiausiai automobiliai susidūrė, ir joks radijo ryšys negalėjo to užkirsti kelio. Taip pat ir Didysis sprogimas: jis įvyko visur, kitaip nei bombos sprogimas, kuris įvyksta tam tikru momentu, o skeveldros išsisklaido į visas puses.
Didžiojo sprogimo teorija nesuteikia mums informacijos apie visatos dydį ir net apie tai, ar ji yra baigtinė ar begalinė. Reliatyvumo teorija aprašo, kaip kiekvienas erdvės regionas plečiasi, bet nieko nesako apie dydį ar formą. Kosmologai kartais tvirtina, kad visata kažkada nebuvo didesnė už greipfrutą, tačiau jie turi omenyje tik tą jos dalį, kurią dabar galime stebėti.
Andromedos ūko ar kitų galaktikų gyventojai turi savo stebimas visatas. Stebėtojai Andromedoje gali pamatyti galaktikas, kurios mums nepasiekiamos vien dėl to, kad jos yra šiek tiek arčiau jų; bet jie negali kontempliuoti tų, kuriuos mes svarstome. Jų stebima visata taip pat buvo greipfruto dydžio. Galima įsivaizduoti, kad ankstyvoji visata buvo kaip šių vaisių krūva, besidriekianti neribotai į visas puses. Taigi nuomonė, kad Didysis sprogimas buvo „mažas“, yra klaidinga. Visatos erdvė yra beribė. Ir kad ir kaip suspaustum, toks jis ir liks.
greičiau už šviesą
Klaidingos nuomonės taip pat susijusios su kiekybiniu plėtinio aprašymu. Atstumai tarp galaktikų didėja pagal paprastą modelį, kurį 1929 m. nustatė amerikiečių astronomas Edvinas Hablas: galaktikos tolimo greitis v yra tiesiogiai proporcingas jos atstumui nuo mūsų d arba v = Hd. Proporcingumo koeficientas H vadinamas Hablo konstanta ir nulemia erdvės plėtimosi greitį tiek aplink mus, tiek aplink bet kurį stebėtoją Visatoje.
Kai kuriuos glumina tai, kad ne visos galaktikos paklūsta Hablo dėsniams. Arčiausiai mūsų esanti didelė galaktika (Andromeda) paprastai juda link mūsų, o ne nuo mūsų. Yra tokių išimčių, nes Hablo dėsnis apibūdina tik vidutinį galaktikų elgesį. Tačiau kiekvienas iš jų taip pat gali turėti nedidelį savo judėjimą, nes galaktikų, kaip, pavyzdžiui, mūsų galaktikos ir Andromedos, gravitacinė įtaka viena kitai. Tolimos galaktikos taip pat turi mažus chaotiškus greičius, tačiau esant dideliam atstumui nuo mūsų (esant didelei d reikšmei), šie atsitiktiniai greičiai yra nežymiai maži didelių tolimo greičių (v) fone. Todėl tolimoms galaktikoms Hablo dėsnis įvykdytas labai tiksliai.
Pagal Hablo dėsnį, visata nesiplečia pastoviu greičiu. Kai kurios galaktikos tolsta nuo mūsų 1 tūkst. km/s greičiu, kitos, kurios yra dvigubai toliau, 2 tūkst. km/s greičiu ir pan. Taigi Hablo dėsnis rodo, kad, pradėdamos nuo tam tikro atstumo, vadinamo Hablo atstumu, galaktikos tolsta superluminaliniu greičiu. Išmatuotai Hablo konstantos vertei šis atstumas yra apie 14 milijardų šviesmečių.
Tačiau ar Einšteino specialiosios reliatyvumo teorija nesako, kad joks objektas negali skristi greičiau nei šviesos greitis? Šis klausimas glumino daugybę studentų kartų. O atsakymas toks, kad specialioji reliatyvumo teorija taikytina tik „normaliems“ greičiams – judėjimui erdvėje. Hablo dėsnis yra apie pašalinimo greitį, kurį sukelia pati erdvės plėtra, o ne judėjimas erdvėje. Šis bendrosios reliatyvumo teorijos poveikis nėra pavaldus specialiajai reliatyvumo teorijai. Pašalinimo greitis, viršijantis šviesos greitį, jokiu būdu nepažeidžia privačios reliatyvumo teorijos. Vis dar tiesa, kad niekas negali pasivyti šviesos pluošto.
AR GALAKTIKOS GALI IŠLEISTI DIDEDU UŽ ŠVIESOS GREITĮ?
NETEISINGAI: Specialioji Einšteino reliatyvumo teorija tai draudžia. Apsvarstykite erdvės sritį, kurioje yra keletas galaktikų. Dėl jo plėtimosi galaktikos tolsta nuo mūsų. Kuo toliau galaktika, tuo didesnis jos greitis (raudonos rodyklės). Jei šviesos greitis yra riba, pašalinimo greitis ilgainiui turėtų tapti pastovus.
TEISINGAI: Žinoma, jie gali. Privatioji reliatyvumo teorija neatsižvelgia į pašalinimo greitį. Pašalinimo greitis be galo didėja didėjant atstumui. Už tam tikro atstumo, vadinamo Hablo atstumu, jis viršija šviesos greitį. Tai nėra reliatyvumo teorijos pažeidimas, nes pašalinimą sukelia ne judėjimas erdvėje, o pačios erdvės plėtimasis.
AR ĮMANOMA PAMATYTI GREIČIAU UŽ ŠVIESĄ GRĮSTAnčias GALAKTIKAS?
NETEISINGAI: Žinoma ne. Su jais keliauja šviesa iš tokių galaktikų. Tegul galaktika yra už Hablo atstumo (sferos), t.y. tolsta nuo mūsų greičiau nei šviesos greitis. Jis skleidžia fotoną (pažymėtą geltonai). Kai fotonas skrenda per erdvę, pati erdvė plečiasi. Atstumas iki Žemės didėja greičiau nei skrieja fotonas. Jis niekada mūsų nepasieks.
TEISINGAI: Žinoma, galite, nes plėtimosi greitis kinta laikui bėgant. Iš pradžių fotonas iš tikrųjų yra nupūstas dėl plėtimosi. Tačiau Hablo atstumas nėra pastovus: jis didėja, ir galiausiai fotonas gali nukristi į Hablo sferą. Kai tai įvyks, fotonas keliaus greičiau, nei tolsta Žemė, ir galės mus pasiekti.
Fotonų tempimas
Pirmieji stebėjimai, rodantys, kad visata plečiasi, buvo atlikti 1910–1930 m. Laboratorijoje atomai skleidžia ir sugeria šviesą visada esant tam tikram bangos ilgiui. Tas pats pastebimas tolimų galaktikų spektruose, bet su poslinkiu į ilgosios bangos sritį. Astronomai teigia, kad galaktikos spinduliuotė yra raudonai pasislinkusi. Paaiškinimas paprastas: erdvei plečiantis, šviesos banga išsitempia ir todėl silpnėja. Jei per tą laiką, kol mus pasiekė šviesos banga, Visata padvigubėjo, tai bangos ilgis padvigubėjo, o jos energija susilpnėjo per pusę.
NUVARGIMO HIPOTEZĖ
Kiekvieną kartą, kai „Scientific American“ paskelbia straipsnį apie kosmologiją, daugelis skaitytojų mums rašo, kad, jų nuomone, galaktikos tikrai nuo mūsų nenutolsta ir erdvės plėtimasis yra iliuzija. Jie mano, kad raudonąjį poslinkį galaktikų spektruose sukelia kažkas panašaus į „nuovargį“ po ilgos kelionės. Dėl kažkokio nežinomo proceso šviesa, sklindanti erdvėje, praranda energiją ir dėl to tampa raudona.
Ši hipotezė yra daugiau nei pusės amžiaus senumo ir iš pirmo žvilgsnio atrodo pagrįsta. Bet tai visiškai nesuderinama su stebėjimais. Pavyzdžiui, kai žvaigždė sprogsta kaip supernova, ji užsidega ir tada pritemsta. Visas procesas trunka apie dvi savaites, kol susidaro supernova, kurią astronomai naudoja atstumams iki galaktikų nustatyti. Per šį laikotarpį supernova skleidžia fotonų srautą. Šviesos nuovargio hipotezė sako, kad fotonai kelionės metu praras energiją, tačiau stebėtojas vis tiek gaus dvi savaites trunkantį fotonų srautą.
Tačiau plečiantis erdvėje ištempiami ne tik patys fotonai (todėl netenka energijos), bet ištempiamas ir jų srautas. Todėl, kol visi fotonai pasiekia Žemę, prireikia daugiau nei dviejų savaičių. Stebėjimai patvirtina šį poveikį. Supernovos sprogimas galaktikoje, kurios raudonasis poslinkis yra 0,5, stebimas tris savaites, o galaktikoje, kurios raudonasis poslinkis yra 1 - mėnesį.
Hipotezė dėl šviesos nuovargio taip pat prieštarauja CMB spektro stebėjimams ir tolimų galaktikų paviršiaus ryškumo matavimams. Atėjo laikas „pavargusią šviesą“ (Charles Lineweaver ir Tamara Davis) pailsėti.
Supernovos, kaip ir ši Mergelės galaktikų spiečiuje, padeda išmatuoti kosminę plėtrą. Jų stebimos savybės atmeta alternatyvias kosmologines teorijas, kuriose erdvė nesiplečia.
Procesą galima apibūdinti pagal temperatūrą. Kūno skleidžiami fotonai turi energijos pasiskirstymą, kuriam paprastai būdinga temperatūra, rodanti kūno karštį. Kai fotonai juda besiplečiančia erdve, jie praranda energiją ir mažėja jų temperatūra. Taigi, visata plečiasi atvėsta, kaip suspaustas oras, išeinantis iš naro baliono. Pavyzdžiui, dabar CMB temperatūra yra apie 3 K, o ji gimė maždaug 3000 K temperatūroje. Tačiau nuo to laiko Visata padidėjo 1000 kartų, o fotonų temperatūra sumažėjo. tuo pačiu veiksniu. Stebėdami dujas tolimose galaktikose, astronomai tiesiogiai matuoja šios spinduliuotės temperatūrą tolimoje praeityje. Matavimai patvirtina, kad laikui bėgant Visata vėsta.
Taip pat yra tam tikrų prieštaravimų dėl raudonojo poslinkio ir greičio santykio. Raudonasis poslinkis, kurį sukelia plėtimasis, dažnai painiojamas su labiau pažįstamu raudonuoju poslinkiu, kurį sukelia Doplerio efektas, dėl kurio garso bangos paprastai pailgėja, jei garso šaltinis pašalinamas. Tas pats pasakytina ir apie šviesos bangas, kurios ilgėja šviesos šaltiniui tolstant erdvėje.
Doplerio raudonasis poslinkis ir kosmologinis raudonasis poslinkis yra visiškai skirtingi dalykai ir apibūdinami skirtingomis formulėmis. Pirmasis išplaukia iš specialiosios reliatyvumo teorijos, kurioje neatsižvelgiama į erdvės plėtimąsi, o antroji – iš bendrosios reliatyvumo teorijos. Šios dvi formulės yra beveik vienodos netoliese esančioms galaktikoms, tačiau skiriasi tolimoms.
Pagal Doplerio formulę, jei objekto greitis erdvėje artėja prie šviesos greičio, tai jo raudonasis poslinkis linkęs į begalybę, o bangos ilgis tampa per didelis ir todėl nepastebimas. Jei tai būtų tiesa galaktikoms, tada tolimiausi matomi dangaus objektai toltų greičiu, žymiai mažesniu nei šviesos greitis. Tačiau kosmologinė raudonojo poslinkio formulė leidžia daryti kitokią išvadą. Pagal standartinį kosmologinį modelį galaktikos, kurių raudonasis poslinkis yra apie 1,5 (t. y. gaunamas jų spinduliuotės bangos ilgis yra 50% didesnis nei laboratorinė vertė), tolsta šviesos greičiu. Astronomai jau atrado apie 1000 galaktikų, kurių raudonasis poslinkis didesnis nei 1,5. Taigi, mes žinome apie 1000 objektų, tolstančių greičiau nei šviesos greitis. CMB kilęs iš dar didesnio atstumo ir jo raudonasis poslinkis yra apie 1000. Kai jaunos Visatos karšta plazma skleidė spinduliuotę, kurią gauname šiandien, ji tolsta nuo mūsų beveik 50 kartų greičiau nei šviesos greitis.
Bėga vietoje
Sunku patikėti, kad galime pamatyti galaktikas, judančias greičiau nei šviesos greitis, tačiau tai įmanoma dėl besikeičiančio plėtimosi greičio. Įsivaizduokite, kad šviesos spindulys ateina į mus iš didesnio atstumo nei Hablo atstumas (14 milijardų šviesmečių). Jis juda link mūsų šviesos greičiu, palyginti su jo buvimo vieta, tačiau tolsta nuo mūsų greičiau nei šviesos greitis. Nors šviesa į mus veržiasi didžiausiu įmanomu greičiu, ji negali neatsilikti nuo erdvės plėtimosi. Tai tarsi vaikas, bandantis bėgti atgal eskalatoriumi. Hablo atstumu esantys fotonai juda didžiausiu greičiu, kad liktų toje pačioje vietoje.
Galima manyti, kad šviesa iš regionų, esančių toliau nei Hablo atstumas, niekada mūsų nepasieks ir mes niekada jos nepamatysime. Tačiau Hablo atstumas nelieka toks pat, nes Hablo konstanta, nuo kurios jis priklauso, laikui bėgant kinta. Ši vertė yra proporcinga dviejų galaktikų nuosmukio greičiui, padalytam iš atstumo tarp jų. (Skaičiavimui gali būti naudojamos bet kurios dvi galaktikos.) Visatos modeliuose, atitinkančiuose astronominius stebėjimus, vardiklis didėja greičiau nei skaitiklis, todėl Hablo konstanta mažėja. Todėl Hablo atstumas didėja. Ir jei taip, šviesa, kuri iš pradžių mūsų nepasiekė, galiausiai gali būti Hablo atstumu. Tada fotonai atsidurs regione, kuris tolsta lėčiau nei šviesos greitis, po kurio jie galės patekti į mus.
AR KOSMINIS REDSHIFTAS TIKRAI YRA DOPLERIO PASIJUNGIMAS?
NETEISINGAI: Taip, nes tolstančios galaktikos juda per erdvę. Taikant Doplerio efektą šviesos bangos išsitempia (tampa raudonesnės), nes jų šaltinis tolsta nuo stebėtojo. Šviesos bangos ilgis nesikeičia, kai ji sklinda per erdvę. Stebėtojas gauna šviesą, išmatuoja jos raudonąjį poslinkį ir apskaičiuoja galaktikos greitį.
TEISINGAI A: Ne, raudonasis poslinkis neturi nieko bendra su Doplerio efektu. Galaktika erdvėje beveik nejuda, todėl į visas puses skleidžia vienodo bangos ilgio šviesą. Kelionės metu bangos ilgis ilgėja, nes erdvė plečiasi. Todėl šviesa palaipsniui tampa raudona. Stebėtojas gauna šviesą, išmatuoja jos raudonąjį poslinkį ir apskaičiuoja galaktikos greitį. Kosminis raudonasis poslinkis skiriasi nuo Doplerio poslinkio, tai patvirtina stebėjimai.
Tačiau galaktika, kuri išsiuntė šviesą, gali toliau tolti superluminal greičiu. Taigi galime stebėti šviesą iš galaktikų, kurios, kaip ir anksčiau, visada tols greičiau nei šviesos greitis. Žodžiu, Hablo atstumas nėra fiksuotas ir nenurodo mums stebimos visatos ribų.
O kas iš tikrųjų žymi stebimos erdvės ribą? Čia taip pat yra tam tikra painiava. Jei erdvė nesiplėstų, tai dabar galėtume stebėti labiausiai nutolusį objektą, esantį maždaug 14 milijardų šviesmečių atstumu nuo mūsų, t.y. atstumą, kurį šviesa nukeliavo per 14 milijardų metų nuo Didžiojo sprogimo. Tačiau visatai plečiantis, fotono keliaujama erdvė išsiplėtė per savo kelionę. Todėl dabartinis atstumas iki labiausiai nutolusių objektų yra maždaug tris kartus didesnis – apie 46 milijardus šviesmečių.
Kosmologai manė, kad gyvename lėtėjančioje visatoje, todėl galime stebėti vis daugiau galaktikų. Tačiau vis spartėjančioje Visatoje mus atitveria riba, už kurios niekada nepamatysime vykstančių įvykių – toks yra kosminis įvykių horizontas. Jei mus pasieks šviesa iš galaktikų, besitraukiančių greičiau nei šviesos greitis, Hablo atstumas padidės. Tačiau greitėjančioje visatoje jo didėjimas draudžiamas. Tolimas įvykis gali pasiųsti šviesos spindulį mūsų kryptimi, tačiau ši šviesa amžinai liks už Hablo atstumo dėl plėtimosi pagreitėjimo.
Kaip matote, greitėjanti Visata primena juodąją skylę, kuri turi ir įvykių horizontą, iš kurio išorės signalų negauname. Dabartinis atstumas iki mūsų kosminių įvykių horizonto (16 milijardų šviesmečių) yra tik mūsų stebimame regione. Galaktikų, kurios dabar yra už kosminių įvykių horizonto, skleidžiama šviesa niekada nepasieks mūsų, nes. atstumas, kuris dabar atitinka 16 milijardų šviesmečių, išsiplės per greitai. Mes galėsime pamatyti įvykius, kurie vyko galaktikose prieš jiems kertant horizontą, bet niekada nesužinosime apie vėlesnius įvykius.
Ar visatoje viskas plečiasi?
Žmonės dažnai galvoja, kad jei erdvė plečiasi, plečiasi ir viskas joje. Bet tai netiesa. Išsiplėtimas pats savaime (t. y. pagal inerciją, be pagreičio ar lėtėjimo) nesukelia jokios jėgos. Fotono bangos ilgis didėja kartu su Visatos augimu, nes, skirtingai nei atomai ir planetos, fotonai nėra sujungti objektai, kurių matmenis lemia jėgų pusiausvyra. Kintantis plėtimosi greitis įveda į pusiausvyrą naują jėgą, tačiau dėl to objektai negali plėstis ar susitraukti.
Pavyzdžiui, jei gravitacija sustiprėtų, jūsų nugaros smegenys susitrauktų tol, kol jūsų stuburo elektronai pasieks naują pusiausvyros padėtį, šiek tiek arčiau vienas kito. Jūsų ūgis šiek tiek sumažėtų, bet susitraukimas nutrūktų. Panašiai, jei gyventume visatoje, kurioje dominuoja gravitacija, kaip prieš keletą metų manė dauguma kosmologų, plėtimasis sulėtėtų ir visi kūnai būtų šiek tiek susitraukę, priversdami juos pasiekti mažesnį pusiausvyros dydį. Tačiau pasiekę ją, jie nebemažėtų.
KOKIO DIDELIS YRA STEBĖJAMOJI VISATA?
NETEISINGAI: Visatai yra 14 milijardų metų, todėl stebimos jos dalies spindulys turėtų būti 14 milijardų šviesmečių.. Apsvarstykite labiausiai nutolusią iš stebėtų galaktikų – tą, kurios fotonai, išspinduliuoti iškart po Didžiojo sprogimo, mus pasiekė tik dabar. Šviesmetis – tai atstumas, kurį fotonas nukeliauja per metus. Tai reiškia, kad fotonas įveikė 14 milijardų šviesmečių
TEISINGAI: erdvei plečiantis, stebimos srities spindulys yra didesnis nei 14 milijardų šviesmečių. Fotonui keliaujant erdvė, kurią jis kerta, plečiasi. Kol jis mus pasiekia, atstumas iki jį išspinduliavusios galaktikos tampa daugiau nei tik apskaičiuotas iš skrydžio laiko – maždaug tris kartus didesnis.
Tiesą sakant, plėtimasis vis spartėja, o tai sukelia silpna jėga, kuri „išpučia“ visus kūnus. Todėl surišti objektai yra šiek tiek didesni, nei jie būtų nespartėjančioje visatoje, nes jėgų pusiausvyra pasiekiama su jais esant šiek tiek didesniam dydžiui. Žemės paviršiuje pagreitis į išorę nuo planetos centro yra maža dalis ($10^(–30)$) normalaus gravitacinio pagreičio link centro. Jei šis pagreitis yra pastovus, tai nesukels Žemės plitimo. Tiesiog planeta įgauna šiek tiek didesnį dydį, nei būtų be atstumiančios jėgos.
Tačiau viskas pasikeis, jei pagreitis nebus pastovus, kaip mano kai kurie kosmologai. Jei atstūmimas padidės, tai galiausiai gali sukelti visų struktūrų sunaikinimą ir sukelti „didįjį plyšimą“, kuris būtų ne dėl išsiplėtimo ar pagreičio per se, o dėl to, kad pagreitis būtų greitėjantis.
AR OBJEKTAI VISATOS TAIP PAT PLĖJA?
NETEISINGAI: Taip. Dėl plėtimosi visata ir viskas joje plečiasi. Apsvarstykite galaktikų spiečius kaip objektą. Didėjant visatai, didėja ir spiečius. Klasterio riba (geltona linija) plečiasi.
TEISINGAI: Ne. Visata plečiasi, bet susiję objektai joje – ne. Kaimyninės galaktikos pirmiausia tolsta, bet galiausiai jų tarpusavio trauka nugali plėtimąsi. Sudaromas tokio dydžio klasteris, kuris atitinka jo pusiausvyros būseną.
Kadangi nauji tikslūs matavimai padeda kosmologams geriau suprasti plėtimąsi ir pagreitį, jie gali užduoti dar svarbesnius klausimus apie ankstyviausius Visatos momentus ir didžiausius mastelius. Kas lėmė plėtrą? Daugelis kosmologų mano, kad dėl to kaltas procesas, vadinamas „infliacija“ (bloat), ypatingas spartėjančio plėtimosi tipas. Bet galbūt tai tik dalinis atsakymas: kad tai prasidėtų, atrodo, kad Visata jau turėjo plėstis. O kaip dėl didžiausių mastelių už mūsų stebėjimų ribų? Ar skirtingos visatos dalys plečiasi nevienodai taip, kad mūsų visata yra tik nedidelis infliacinis burbulas milžiniškoje supervisatoje? Niekas nežino. Tačiau tikimės, kad laikui bėgant pavyks suprasti Visatos plėtimosi procesą.
APIE AUTORIUS:
Charlesas H. Lineweaveris ir Tamara M. Davis yra Australijos Mount Stromlo observatorijos astronomai. 1990-ųjų pradžioje Kalifornijos universitete Berklyje Lineweaveris priklausė mokslininkų grupei, kuri, naudodama COBE palydovą, atrado CMB svyravimus. Apgynė ne tik astrofizikos, bet ir istorijos bei anglų literatūros disertaciją. Davisas dirba kurdamas Supernovos / Acceleration Probe kosmoso observatoriją.
PASTABOS Į STRAIPSNĮ „DIDŽIOJO SPĖGIMO PARADOKSAI“
Profesorius Zasovas Anatolijus Vladimirovičius, fiz. Maskvos valstybinio universiteto fakultetas: Visi nesusipratimai, su kuriais ginčijasi straipsnio autoriai, yra susiję su tuo, kad aiškumo dėlei jie dažniausiai laiko riboto Visatos tūrio plėtimąsi griežtoje atskaitos sistemoje (be to, pakankamai mažo ploto išplėtimas, kad nebūtų atsižvelgta į laiko tėkmės skirtumą Žemėje ir tolimose galaktikose Žemės atskaitos sistemoje). Iš čia kilo ir sprogimo, ir Doplerio poslinkio idėja bei plačiai paplitusi painiava su judėjimo greičiais. Kita vertus, autoriai rašo ir rašo taisyklingai, kaip viskas atrodo neinercinėje (judančioje) koordinačių sistemoje, kurioje dažniausiai dirba kosmologai, nors straipsnyje to tiesiogiai nepasakoma (iš esmės visi atstumai ir greičiai priklauso dėl atskaitos sistemos pasirinkimo, ir čia visada yra tam tikra savivalė). Vienintelis dalykas, kuris nėra aiškiai parašyta, yra tai, kad nėra apibrėžta, ką reiškia atstumas besiplečiančioje Visatoje. Pirma, autoriai teigia, kad tai yra šviesos greitis, padaugintas iš sklidimo laiko, o tada sakoma, kad reikia atsižvelgti ir į plėtimąsi, dėl kurios galaktiką dar labiau pašalino šviesai pakeliui. Taigi atstumas jau suprantamas kaip šviesos greitis, padaugintas iš sklidimo laiko, kurio prireiktų, jei galaktika nustotų tolti ir dabar skleistų šviesą. Iš tikrųjų viskas yra sudėtingiau. Atstumas yra nuo modelio priklausomas dydis ir jo negalima gauti tiesiogiai iš stebėjimų, todėl kosmologai puikiai apsieina ir be jo, pakeisdami jį raudonuoju poslinkiu. Bet galbūt griežtesnis požiūris čia netinka.