Вселенная

Слово Вселенная происходит от старофранцузского слова Univers, которое происходит от латинского слова universum. Латинское слово использовалось Цицероном и более поздними латинскими авторами во многих тех же смыслах, в которых используется современное английское слово.

Другая интерпретация (способ толкования) слова unvorsum - "все вращалось как одно" или "все вращалось на один". Это относится к ранней греческой модели Вселенной. В этой модели вся материя находилась во вращающихся сферах с центром на Земле; согласно Аристотелю, вращение самой внешней сферы было ответственно за движение и изменение всего внутри. Для греков было естественным предположить, что Земля неподвижна, а небеса вращаются вокруг Земли, поскольку для доказательства обратного необходимы тщательные астрономические и физические измерения (например, маятник Фуко).

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

Самое широкое значение

Самое широкое словесное значение Вселенной можно найти в книге "De divisione naturae" средневекового философа Иоганна Скотуса Эриугены, который определил ее как просто все: все, что существует, и все, что не существует.

В определении Эриугены время не рассматривается; таким образом, его определение включает в себя все, что существует, существовало и будет существовать, а также все, что не существует, никогда не существовало и никогда не будет существовать. Это всеобъемлющее определение не было принято большинством последующих философов, но нечто подобное есть в квантовой физике.

Определение как реальность

Обычно считается, что Вселенная - это все, что существует, существовало и будет существовать. Это определение гласит, что Вселенная состоит из двух элементов: пространства и времени, вместе известных как пространство-время или вакуум; и материи и различных форм энергии и импульса, занимающих пространство-время. Эти два вида элементов ведут себя в соответствии с физическими законами, в которых мы описываем, как эти элементы взаимодействуют.

Аналогичное определение термина Вселенная - это все, что существует в один момент времени, например, в настоящее время или в начале времени, как в предложении "Вселенная была размером 0".

В книге Аристотеля "Физика" Аристотель разделил το παν (все) на три примерно аналогичных элемента: материю (материал, из которого состоит Вселенная), форму (расположение этой материи в пространстве) и изменение (как материя создается, разрушается или изменяет свои свойства, и аналогично, как изменяется форма). Физические законы - это правила, регулирующие свойства материи, формы и их изменения. Более поздние философы, такие как Лукреций, Аверроэс, Авиценна и Барух Спиноза, изменили или уточнили эти разделения. Например, у Аверроэса и Спинозы активные принципы, управляющие Вселенной, действуют на пассивные элементы.

Определения пространства-времени

Можно сформировать пространство-время, каждое из которых существует, но не может касаться, двигаться или изменяться (взаимодействовать друг с другом). Легко представить себе это как группу отдельных мыльных пузырей, в которых люди, живущие на одном мыльном пузыре, не могут взаимодействовать с людьми на других мыльных пузырях. Согласно общепринятой терминологии, каждый "мыльный пузырь" пространства-времени обозначается как вселенная, тогда как наше конкретное пространство-время обозначается как Вселенная, так же как мы называем нашу Луну Луной. Вся совокупность этих отдельных пространств-времен обозначается как мультивселенная. В принципе, другие не связанные между собой вселенные могут иметь различные размерности и топологии пространства-времени, различные формы материи и энергии, а также различные физические законы и физические константы, хотя такие возможности являются предположениями.

Наблюдаемая реальность

Согласно еще более строгому определению, Вселенная - это все, что находится в нашем связанном пространстве-времени и может взаимодействовать с нами и наоборот.

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

Стоит подчеркнуть, что эти отдаленные области пространства считаются существующими и являются частью реальности в той же мере, что и мы, однако мы никогда не можем взаимодействовать с ними, даже в принципе. Пространственная область, в пределах которой мы можем воздействовать и подвергаться воздействию, обозначается как наблюдаемая Вселенная.

Строго говоря, наблюдаемая вселенная зависит от местонахождения наблюдателя. Путешествуя, наблюдатель может вступить в контакт с большей областью пространства-времени, чем наблюдатель, который остается неподвижным, так что наблюдаемая вселенная для первого больше, чем для второго. Тем не менее, даже самый быстрый путешественник не сможет взаимодействовать со всем пространством. Обычно под "наблюдаемой Вселенной" подразумевается Вселенная, видимая с нашей точки обзора в галактике Млечный Путь.

Вселенная огромна и, возможно, бесконечна по объему. Материя, которую можно увидеть, распределена на пространстве не менее 93 миллиардов световых лет. Для сравнения, диаметр типичной галактики составляет всего 30 000 световых лет, а типичное расстояние между двумя соседними галактиками - всего 3 миллиона световых лет. Например, диаметр нашей галактики Млечный Путь составляет около 100 000 световых лет, а ближайшая родственная галактика, галактика Андромеды, находится на расстоянии примерно 2,5 миллиона световых лет. В наблюдаемой Вселенной насчитывается более 2 триллионов (10¹² ) галактик и, в целом, около 1×10²⁴ звезд (больше звезд, чем песчинок на планете Земля).

Типичные галактики варьируются от карликовых галактик, насчитывающих всего десять миллионов (10⁷ ) звезд, до гигантов с одним триллионом (10¹² ) звезд, вращающихся вокруг центра масс галактики. Таким образом, по самым приблизительным оценкам, в наблюдаемой Вселенной насчитывается около одного секстиллиона (10²¹ ) звезд, хотя в результате исследования, проведенного в 2003 году астрономами Австралийского национального университета, была получена цифра в 70 секстиллионов (7 x 10²² ).

Материя, которую можно увидеть, распределена по всей Вселенной, если усреднить расстояния, превышающие 300 миллионов световых лет. Однако на меньших расстояниях материя образует "сгустки", многие атомы конденсируются в звезды, большинство звезд - в галактики, большинство галактик - в группы и скопления галактик и, наконец, самые крупные структуры, такие как Великая стена галактик.

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

Вселенная стара и меняется. Лучшее предположение о возрасте Вселенной - 13,798±0,037 млрд. лет, основанное на том, что было замечено в космическом микроволновом фоновом излучении. Независимые оценки (основанные на измерениях, таких как радиоактивное датирование) согласуются, хотя они менее точны и варьируются от 11-20 млрд. лет до 13-15 млрд. лет.

Вселенная не была одинаковой во все периоды своей истории. Это увеличение объясняет, почему люди, живущие на Земле, могут видеть свет от галактики, находящейся на расстоянии 30 миллиардов световых лет, даже если этот свет путешествовал всего 13 миллиардов лет; само пространство между ними расширилось. Это расширение согласуется с наблюдением того, что свет от далеких галактик был красным; испускаемые фотоны были растянуты до более длинных волн и более низкой частоты во время их путешествия. Скорость этого пространственного расширения ускоряется, судя по исследованиям сверхновых типа Ia и другим данным.

Относительное количество различных химических элементов - особенно самых легких атомов, таких как водород, дейтерий и гелий - кажется одинаковым во всей Вселенной и на протяжении всей ее истории, о которой мы знаем. Кажется, что во Вселенной гораздо больше материи, чем антиматерии. Вселенная, по-видимому, не имеет чистого электрического заряда. Гравитация является доминирующим взаимодействием на космологических расстояниях. Вселенная также не обладает чистым импульсом или угловым моментом. Отсутствие чистого заряда и импульса ожидаемо, если Вселенная конечна.

Вселенная представляется гладким пространственно-временным континуумом, состоящим из трех пространственных измерений и одного временного (временного) измерения. В среднем, пространство очень почти плоское (кривизна близка к нулю), что означает, что евклидова геометрия экспериментально верна с высокой точностью во всей большей части Вселенной. Однако Вселенная может иметь больше измерений, а ее пространство-время может иметь многосвязную глобальную топологию.

Во Вселенной действуют одни и те же физические законы и физические константы. Согласно преобладающей Стандартной модели физики, вся материя состоит из трех поколений лептонов и кварков, оба из которых являются фермионами. Эти элементарные частицы взаимодействуют посредством не более трех фундаментальных взаимодействий: электрослабого взаимодействия, которое включает электромагнетизм и слабую ядерную силу; сильной ядерной силы, описываемой квантовой хромодинамикой; и гравитации, которая в настоящее время лучше всего описывается общей относительностью.

Специальная относительность действует во всей Вселенной в локальном пространстве и времени. В противном случае действует общая относительность. Не существует объяснения конкретным значениям физических констант, которые, по-видимому, имеют место во всей нашей Вселенной, например, постоянной Планка h или гравитационной постоянной G. Было определено несколько законов сохранения, таких как сохранение заряда, сохранение импульса, сохранение углового момента и сохранение энергии.

Общая теория относительности

Точные предсказания прошлого и будущего Вселенной требуют точной теории гравитации. Лучшей из имеющихся теорий является общая теория относительности Альберта Эйнштейна, которая на сегодняшний день прошла все экспериментальные проверки. Однако, поскольку строгие эксперименты на космологических масштабах длины не проводились, общая теория относительности может оказаться неточной. Тем не менее, ее предсказания согласуются с наблюдениями, поэтому нет причин для принятия другой теории.

Общая теория относительности содержит набор из десяти нелинейных дифференциальных уравнений для метрики пространства-времени (полевые уравнения Эйнштейна), которые должны быть решены на основе распределения массы-энергии и импульса во Вселенной. Поскольку точные детали этих уравнений неизвестны, космологические модели основываются на космологическом принципе, который утверждает, что Вселенная однородна и изотропна. По сути, этот принцип утверждает, что гравитационное воздействие различных галактик, составляющих Вселенную, эквивалентно воздействию мелкой пыли, равномерно распределенной по Вселенной с одинаковой средней плотностью. Предположение об однородности пыли позволяет легко решить уравнения поля Эйнштейна и предсказать прошлое и будущее Вселенной на космологических временных масштабах.

В уравнения поля Эйнштейна входит космологическая постоянная (Ламда: Λ), которая связана с плотностью энергии пустого пространства. В зависимости от своего знака, космологическая постоянная может либо замедлять (отрицательный Λ), либо ускорять (положительный Λ) расширение Вселенной. Хотя многие ученые, включая Эйнштейна, предполагали, что Λ равна нулю, недавние астрономические наблюдения за сверхновыми типа Ia обнаружили большое количество темной энергии, которая ускоряет расширение Вселенной. Предварительные исследования показывают, что эта темная энергия связана с положительным Λ, хотя пока нельзя исключать и альтернативные теории.

Модель Большого взрыва

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

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

Другие наблюдения не имеют четкого ответа в рамках известной физики. Согласно преобладающей теории, при создании Вселенной или вскоре после этого возник небольшой дисбаланс материи и антиматерии. Хотя материя и антиматерия в основном аннигилировали друг с другом, производя фотоны, небольшой остаток материи уцелел, создав нынешнюю Вселенную с преобладанием материи.

Несколько свидетельств также указывают на то, что быстрая космическая инфляция Вселенной произошла очень рано в ее истории (примерно через 10⁻³⁵ секунд после ее создания). Последние наблюдения также свидетельствуют о том, что космологическая постоянная (Λ) не равна нулю, и что в чистой массе-энергии Вселенной преобладают темная энергия и темная материя, которые не были научно охарактеризованы. Они различаются по своему гравитационному воздействию. Темная материя гравитирует, как обычная материя, и тем самым замедляет расширение Вселенной; темная энергия, напротив, служит для ускорения расширения Вселенной.

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

Будущее Вселенной является загадкой. Однако существует несколько теорий, основанных на возможных формах Вселенной:

• Если Вселенная является замкнутой сферой, она перестанет расширяться. Вселенная сделает все наоборот и станет сингулярностью для еще одного Большого взрыва.
• Если Вселенная представляет собой открытую сферу, это ускорит расширение. Через 22 000 000 000 000 (22 миллиарда) лет Вселенная с силой разорвется на части.
• Если Вселенная плоская, то она будет расширяться вечно. Для этого все звезды потеряют свою энергию и станут карликовыми звездами. Через гугол лет исчезнут и черные дыры.