Книга «Вселенная. Руководство по эксплуатации» - идеальный путеводитель по самым важным - и, конечно, самым упоительным - вопросам современной физики: «Возможны ли путешествия во времени?», «Существуют ли параллельные вселенные?», «Если вселенная расширяется, то куда она расширяется?», «Что будет, если, разогнавшись до скорости света, посмотреть на себя в зеркало?», «Зачем нужны коллайдеры частиц и почему они должны работать постоянно? Разве в них не повторяют без конца одни и те же эксперименты?». Юмор, парадоксальность, увлекательность и доступность изложения ставят эту книгу на одну полку с бестселлерами Г. Перельмана, С. Хокинга, Б. Брайсона и Б. Грина! Настоящий подарок для всех, кого интересует современная наука, - от любознательного старшеклассника до его любимого учителя, от студента-филолога до доктора физико-математических наук!

Что за ними, не видно, но мы знаем, как выглядит Вселенная сейчас и как она выглядела в каждый момент времени с ранних стадий до сегодняшнего дня, поэтому можем догадаться, что находится за этой космической шторой. Так и подмывает за нее заглянуть, правда?

Так вот, хотя заглянуть за горизонт мы не в силах, зато видим достаточно много, чтобы удовлетворять собственное и чужое любопытство за государственный счет. Самое прекрасное - чем дольше мы ждем, тем старше становится Вселенная и тем дальше отодвигается горизонт. Иначе говоря, существуют далекие уголки Вселенной, чей свет доходит до нас только сейчас.

А что же находится за горизонтом? Этого никто не знает, но мы вправе делать обоснованные догадки. Помните, что Коперник и его последователи ясно показали нам; «Когда куда-нибудь идешь, то все равно куда-нибудь придешь», поэтому можно предположить, что за горизонтом Вселенная выглядит примерно так же, как и здесь. Конечно, там будут другие галактики, но их окажется примерно столько же, что и вокруг нас, и выглядеть они будут примерно так же, как и наши соседки. Но это не обязательно правда. Мы выдвигаем такое предположение, поскольку у нас нет причин думать иначе.

> Структура Вселенной

Изучите схему структуры Вселенной : масштабы пространства, карта Вселенной, сверхскопления, скопления, группы галактик, галактики, звезды, Великая Стена Слоуна.

Мы живем в бесконечном пространстве, поэтому всегда интересно узнать, как выглядят структура и масштабы Вселенной. Глобальная вселенская структура представляет собою пустоты и волокна, которые можно разбить на , скопления, галактические группы, а уже в конце и сами . Если снова уменьшать масштабы, то рассмотрим и (Солнце – одна из них).

Если вы осознаете, как выглядит эта иерархия, то можете лучше понять, какую роль играет каждый названый элемент в структуре Вселенной. К примеру, если мы проникнем еще дальше, то заметим, что молекулы делятся на атомы, а те на электроны, протоны и нейтроны. Последние два также трансформируются в кварки.

Но это маленькие элементы. А что делать с гигантскими? Что собою представляют сверхскопления, пустоты и волокна? Будем двигаться от маленького к большому. Внизу можете посмотреть, как выглядит карта Вселенной в масштабе (здесь хорошо просматриваются нити, волокна и пустоты пространства).

Существуют одиночные галактики, но большинство предпочитают располагаться группами. Обычно это 50 галактик, занимающих в диаметре 6 миллионов световых лет. Группа Млечного Пути насчитывает более 40 галактик.

Скопления – это области с 50-1000 галактиками, достигающих размеров в 2-10 мегапарсек (диаметр). Интересно отметить, что их скорости невероятно велики, а значит, должны преодолевать гравитацию. Но они все же держатся вместе.

Обсуждения темной материи появляется на этапе рассмотрения именно галактических скоплений. Полагают, что она создает ту силу, которая не позволяет галактикам разойтись в разные стороны.

Иногда группы также объединяются, чтобы сформировать сверхскопление. Это одни из крупнейших структур Вселенной. Наибольший представитель – Великая Стена Слоуна, растянувшаяся на 500 миллионов световых лет в длину, 200 миллионов световых лет в ширину и 15 миллионов световых лет в толщину.

Современные приборы все еще недостаточно мощные, чтобы увеличивать изображения. Сейчас мы можем рассмотреть два компонента. Нитевидные структуры – состоят из изолированных галактик, групп, скоплений и сверхскоплений. А также пустоты – гигантские пустые пузыри. Посмотрите интересные видео, чтобы узнать больше информации о структуре Вселенной и свойствах ее элементов.

Иерархическое формирование галактик во Вселенной

Астрофизик Ольга Сильченко о свойствах темной материи, веществе в ранней Вселенной и реликтовом фоне:

Материя и антиматерия во Вселенной

изик Валерий Рубаков о ранней Вселенной, стабильности вещества и барионном заряде:

Племя бошонго в центральной Африке верит, что издревле была только темнота, вода и великий бог Бумба. Однажды Бумбу так болел, что его вырвало. И так появилось Солнце. Оно высушило часть великого Океана, освободив заточенную под его водами землю. Наконец, Бумбу вырвало луной, звездами, а затем на свет появились некоторые животные. Первым стал леопард, за ним - крокодил, черепаха и, наконец, человек. Сегодня же мы поговорим о том, что такое Вселенная в современном представлении.

Расшифровка понятия

Вселенная - грандиозное, непостижимых размеров пространство, заполненное квазарами, пульсарами, черными дырами, галактиками и материей. Все эти компоненты находятся в постоянном взаимодействии и формируют наше мироздание в том виде, каким мы его себе представляем. Нередко звезды во Вселенной находятся не поодиночке, а в составе грандиозных скоплений. В некоторых из них может быть несколько сотен, а то и тысяч такого рода объектов. Астрономы говорят, что небольшие и средние скопления («лягушачья икра») образовались совсем недавно. А вот шаровидные образования - древние и очень древние, «помнящие» еще первичный космос. Вселенная таких образований содержит много.

Общие сведения о строении

Звезды и планеты образуют галактики. Вопреки распространенному мнению, системы галактик чрезвычайно подвижны и практически все время перемещаются в пространстве. Звезды - также величина непостоянная. Они зарождаются и погибают, превращаясь в пульсары и черные дыры. Наше Солнце - звезда «среднего пошиба». Живут такие (по меркам Вселенной) очень мало, не более 10-15 миллиардов лет. Конечно же, во Вселенной существуют миллиарды светил, по своим параметрам напоминающим наше солнце, и столько же систем, походящих на Солнечную. В частности, поблизости от нас располагается Туманность Андромеды.

Вот что такое Вселенная. Но все далеко не так просто, так как существует грандиозное количество тайн и противоречий, ответов на которые пока что нет.

Некоторые проблемы и противоречия теорий

Мифы древних народов о создании всего сущего, как многие другие до и после них, пытаются ответить на вопросы, которые всех нас интересуют. Почему мы здесь, откуда взялись планеты Вселенной? Откуда мы произошли? Конечно, более-менее внятные ответы мы начинаем получать только сейчас, когда наши технологии достигли определенного прогресса. Впрочем, за всю историю человека нередко встречались те представители людского племени, которые сопротивлялись идее того, что Вселенная вообще имела начало.

Аристотель и Кант

Например, Аристотель, самый известный из греческих философов, полагал, что "происхождение Вселенной" - термин неправильный, так как существовала она всегда. Что-то вечное более совершенно, чем что-то создаваемое. Мотивация для веры в вечность Вселенной была проста: Аристотель не желал признавать существование какого-то божества, которое бы могло ее создать. Разумеется, его противники в полемических спорах как раз-таки приводили пример создания Вселенной как свидетельство существования высшего разума. Канту долгое время не давал покоя один вопрос: «Что было перед тем, как возникла Вселенная?» Он чувствовал, что все теории, которые существовали на то время, имели множество логических противоречий. Ученым была разработана так называемая антитеза, которую до сих пор используют некоторые модели Вселенной. Вот ее положения:

• Если Вселенная имела начало, то почему она выжидала вечность перед своим возникновением?
• Если Вселенная вечна, то почему в ней вообще существует время; для чего вообще нужно отмерять вечность?

Конечно, для своего времени он задавал более чем правильные вопросы. Вот только сегодня они несколько устарели, но некоторые ученые, к величайшему сожалению, продолжают руководствоваться именно ими в своих исследованиях. Конец метаниям Канта (точнее, его продолжателей) положила теория Эйнштейна, проливающая свет на строение Вселенной. Чем же она так поразила научное сообщество?

Точка зрения Эйнштейна

В его теории относительности пространство и время больше не были Абсолютными, привязанными к какой-то точке отсчета. Он предположил, что они способны к динамическому развитию, которое определяется энергией во Вселенной. Время по Эйнштейну настолько неопределенно, что нет особой необходимости в его определении. Это походило бы на выяснение направления к югу от Южного полюса. Довольно бессмысленное занятие. Любое так называемое «начало» Вселенной было бы искусственно в том смысле, что можно было бы попытаться рассуждать о более «ранних» временах. Проще говоря, это проблема не столько физическая, сколько глубоко философская. Сегодня ее решением занимаются лучшие умы человечества, которые неустанно думают про образование первичных объектов в космическом пространстве.

Сегодня наиболее распространен позитивистский подход. Проще говоря, мы осмысляем само строение Вселенной так, как можем его представить. Ни у кого не получится спросить, является ли используемая модель истинной, нет ли других вариантов. Ее можно считать удачной, если она достаточно изящна и органически включает в себя все накопленные наблюдения. К сожалению, мы (скорее всего) неправильно интерпретируем некоторые факты, пользуясь искусственно созданными математическими моделями, что в дальнейшем приводит к искажению фактов об окружающем нас мире. Думая о том, что такое Вселенная, мы упускаем из виду миллионы фактов, которые пока еще попросту не открыты.

Современные сведения о возникновении Вселенной

«Средневековье Вселенной» — эра темноты, существовавшей перед появлением первых звезд и галактик.

Именно в те загадочные времена образовались первые тяжелые элементы, из которых созданы мы и весь окружающий нас мир. Теперь исследователи разрабатывают первичные модели Вселенной и методы для исследования тех явлений, которые происходили в то время. Современные астрономы говорят, что Вселенной примерно 13,7 миллиардов лет. Перед возникновением Вселенной космос был столь горячим, что все существовавшие атомы были разделены на положительно заряженные ядра и отрицательно заряженные электроны. Эти ионы блокировали весь свет, не давая ему распространяться. Царила Тьма, конца и края которой не было.

Первый свет

Спустя приблизительно 400 000 лет после Большого взрыва пространство остыло достаточно, чтобы разрозненные частицы смогли объединиться в атомы, образовав планеты Вселенной и... первый свет в космосе, отголоски которого до сих пор известны нам в качестве «светового горизонта». Что было до Большого взрыва, мы до сих пор не знаем. Возможно, тогда существовала какая-то иная Вселенная. Быть может, не было ничего. Великое Ничто… Именно на этом варианте настаивают многие философы и астрофизики.

Текущие модели предполагают, что первые галактики Вселенной начали формироваться спустя приблизительно 100 миллионов лет после Большого взрыва, положив начало нашему мирозданию. Процесс формирования галактик и звезд постепенно продолжался, пока большая часть водорода и гелия не была включена в состав новых солнц.

Тайны, ждущие своего исследователя

Существует много вопросов, ответить на которые могло бы помочь исследование первоначально происходивших процессов. Например, когда и как возникли чудовищно большие черные дыры, замеченные в сердцах фактически всех больших скоплений? Сегодня известно, что Млечный путь имеет черную дыру, вес которой составляет приблизительно 4 миллиона масс нашего Солнца, а некоторые древние галактики Вселенной имеют в своем составе черные дыры, размеры которых вообще сложно представить. Наиболее огромным является образование в системе ULAS J1120+0641. Ее черная дыра имеет вес, в 2 миллиарда раз превышающий массу нашего светила. Эта галактика возникла спустя только 770 миллионов лет после Большого взрыва.

В этом и заключается главная загадка: согласно современным представлениям, столь массивные образования просто бы не успели возникнуть. Так как они сформировались? Каковы «семена» этих черных дыр?

Темная материя

Наконец, темная материя, из которой, по мнению многих исследователей, на 80% состоит космос, Вселенная, до сих пор является «темной лошадкой». Мы до сих пор не знаем, какова природа темной материи. В частности, вызывает много вопросов ее строение и взаимодействие тех элементарных частиц, из которых состоит это таинственное вещество. Сегодня мы предполагаем, что ее составные части друг с другом практически не взаимодействуют, в то время как результаты наблюдений за некоторыми галактиками этому тезису противоречат.

О проблеме происхождения звезд

Другая проблема - вопрос о том, на что походили первые звезды, из которых образована звездная Вселенная. В условиях невероятного тепла и при чудовищном давлении в ядрах этих солнц относительно простые элементы, такие как водород и гелий, преобразовывались, в частности, в углерод, на котором основана наша жизнь. В настоящее время ученые считают, что самые первые звезды были во много раз больше солнца. Возможно, они жили всего пару сотен миллионов лет, а то и меньше (вероятно, именно так и образовались первые черные дыры).

Впрочем, некоторые из «старожилов» вполне могут существовать и в современном космосе. Они наверняка были очень бедны в отношении тяжелых элементов. Быть может, некоторые из этих образований могут до сих пор «скрываться» в ореоле Млечного пути. Эта тайна также до сих пор не открыта. С такими казусами приходится встречаться всякий раз, отвечая на вопрос: «Так что такое Вселенная?» Для исследования первых дней после ее возникновения чрезвычайно важен поиск наиболее ранних звезд и галактик. Естественно, что наиболее древними наверняка являются те объекты, которые располагаются на самом краю светового горизонта. Проблема только в том, что до тех мест могут дотянуться только наиболее мощные и сложные телескопы.

Огромные надежды исследователи возлагают на космический телескоп Джеймса Уэбба. Этот инструмент призван дать ученым ценнейшие сведения о первом поколении галактик, которые сформировались сразу после Большого взрыва. Изображений этих объектов в приемлемом качестве практически нет, так что великие открытия все еще впереди.

Удивительное «светило»

Все галактики распространяют свет. Какие-то образования светят сильно, какие-то отличаются умеренным «освещением». Но существует самая яркая галактика во вселенной, интенсивность свечения которой не похожа ни на что другое. Ее имя - WISE J224607.57-052635.0. Располагается эта «лампочка» на расстоянии целых 12,5 миллиардов световых лет от Солнечной системы, а светит она, как 300 триллионов Солнц разом. Заметим, что подобных образований на сегодняшний день существует около 20, причем не следует забывать о понятии «светового горизонта».

Проще говоря, со своего места мы видим только те объекты, образование которых произошло около 13 миллиардов лет тому назад. Дальние области недоступны взору наших телескопов просто потому, что свет оттуда банально не успел дойти. Так что в тех краях наверняка существует что-то аналогичное. Вот какая самая яркая галактика во Вселенной (точнее, в ее видимой части).

Как велика наблюдаемая нами часть Вселенной? Давайте поразмышляем как далеко мы можем заглянуть в космос.

Изображение, полученное с телескопа Хаббл, демонстрирует массивное скопление галактик PLCK_G308.3-20.2, ярко светящихся в темноте. Именно так выглядят огромные участки удалённой Вселенной. Но как далеко простирается известная нам Вселенная, включая и ту часть, что мы не можем наблюдать?

13,8 млрд лет назад произошёл Большой взрыв. Вселенная заполнилась материей, антиматерией, излучением, и существовала в сверхгорячем и сверхплотном, но расширяющемся и охлаждающемся состоянии.

Как выглядит вселенная

К сегодняшнему дню её объём, включающий наблюдаемую нами Вселенную, расширился до того, что его радиус составляет 46 млрд световых лет, и свет, сегодня впервые приходящий в наши глаза, соответствует пределам того, что мы способны измерить. А что же находится дальше? Что насчёт ненаблюдаемой части Вселенной?

История Вселенной, определена настолько хорошо, насколько далеко в прошлое мы способны заглянуть при помощи различных инструментов и телескопов. Но можно сказать, прибегая к тавтологии, что наши наблюдения могут дать нам информацию только о наблюдаемых её частях. Обо всём остальном приходится догадываться, и эти догадки хороши лишь настолько, насколько хороши лежащие в их основе предположения.

Сегодня Вселенная холодная и комковатая, а ещё она расширяется и оказывает гравитационное воздействие. Заглядывая далеко в космос, мы не только смотрим на далёкие расстояния, но и видим далёкое прошлое, из-за конечной скорости света.

Удалённые части Вселенной менее комковатые и более однородные, у них было меньше времени на формирование более крупных и сложных структур под воздействием гравитации.

Ранняя, удалённая от нас Вселенная, также была и горячее. Расширяющаяся Вселенная приводит к увеличению длины волны распространяющегося по ней света. С её растяжением свет теряет энергию, охлаждается. Это означает, что в далёком прошлом Вселенная была горячее – и этот факт мы подтвердили, наблюдая за свойствами удалённых частей Вселенной.

Исследование от 2011 года (красные точки) даёт наилучшие из имеющихся на сегодня свидетельств того, что температура реликтового излучения в прошлом была выше. Спектральные и температурные свойства пришедшего издалека света подтверждают тот факт, что мы живём в расширяющемся пространстве.

Исследования

Мы можем измерить температуру сегодняшней Вселенной, спустя 13,8 млрд лет после Большого взрыва, изучая излучение, оставшееся от того горячего, плотного раннего состояния.

Сегодня оно проявляет себя в микроволновой части спектра и известно, как реликтовое излучение. Оно укладывается в спектр излучения абсолютно чёрного тела и имеет температуру 2,725 К, и довольно легко показать, что эти наблюдения с удивительной точностью совпадают с предсказаниями модели Большого взрыва для нашей Вселенной.

Реальный свет Солнца (слева, жёлтая кривая) и абсолютно чёрного тела (серая). Благодаря толщине фотосферы Солнца оно больше относится к чёрным телам. Справа – реальное реликтовое излучение, совпадающее с излучением чёрного тела, по измерениям спутника COBE. Заметьте, что разброс ошибок на графике справа удивительно мал (в районе 400 сигм). Совпадение теории с практикой историческое.

Более того, нам известно, как меняется энергия этого излучения с расширением Вселенной. Энергия фотона обратно пропорциональна длине волны. Когда Вселенная была в два раза меньше, у фотонов, оставшихся от Большого взрыва, энергия была в два раза больше; когда размер Вселенной составлял 10% от её текущего, энергия этих фотонов была в 10 раз большей.

Если мы захотим вернуться назад, к моменту, когда размер Вселенной составлял 0,092% от её текущего, мы обнаружим, что Вселенная была в 1089 раз горячее, чем сегодня: порядка 3000 К. При таких температурах Вселенная способна ионизировать все содержащиеся в ней атомы. Вместо твёрдых, жидких или газообразных веществ, вся материя во всей Вселенной пребывала в виде ионизированной плазмы.

Вселенная, в которой свободные электроны и протоны сталкиваются с фотонами, превращается в нейтральную, прозрачную для фотонов, по мере остывания и расширения. Слева – ионизированная плазма до испускания реликтового излучения, справа – нейтральная Вселенная, прозрачная для фотонов.

Три основных вопроса

К размеру сегодняшней Вселенной мы подходим, разбираясь в трёх связанных между собой вопросах:

1. Как быстро Вселенная расширяется сегодня – это мы можем измерить несколькими способами.
2. Насколько горячая Вселенная сегодня – это мы можем узнать, изучая реликтовое излучение.
3. Из чего состоит Вселенная – включая материю, излучение, нейтрино, антиматерию, тёмную материю, тёмную энергию, и т.д.

Используя сегодняшнее состояние Вселенной, мы можем провести экстраполяцию назад, к ранним этапам горячего Большого взрыва, и прийти к значениям для возраста и размера Вселенной.

Логарифмический график зависимости размера наблюдаемой Вселенной, в световых годах, от количества времени, прошедшего с момента Большого взрыва. Всё это применимо лишь к наблюдаемой Вселенной.

Из всего набора доступных наблюдений, включающих реликтовое излучение, данные по сверхновым, наблюдения крупномасштабных структур и акустических барионных осцилляций, мы получаем картину, описывающую нашу Вселенную.

Спустя 13,8 млрд лет после Большого взрыва её радиус составляет 46,1 млрд световых лет. Это граница наблюдаемого. Всему, что находится дальше, даже движущемуся со скоростью света с момента горячего Большого взрыва, не хватит времени на то, чтобы добраться до нас.

С течением времени увеличиваются возраст и размер Вселенной, и всегда будет существовать граница того, что мы можем увидеть.

Художественное представление наблюдаемой Вселенной на логарифмической шкале. Отметьте, что мы ограничены в том, как далеко можем заглянуть в прошлое, количеством времени, прошедшим с горячего Большого взрыва. Это 13,8 млрд лет, или (учитывая расширение Вселенной) 46 млрд световых лет. Все, живущие в нашей Вселенной, в любой её точке, увидят почти такую же картину.

Что за пределами

Что мы можем сказать по поводу той части Вселенной, что находится за пределами наших наблюдений? Мы можем лишь предполагать на основании законов физики и того, что мы можем измерить в нашей, наблюдаемой части.

К примеру, мы видим, что Вселенная на крупных масштабах пространственно плоская: она не искривлена ни положительно, ни отрицательно, с точностью в 0,25%. Если мы предположим, что наши законы физики сформулированы верно, мы можем оценить, насколько большой может быть Вселенная до тех пор, пока она не замкнётся на себя.

Величины горячих и холодных участков и их масштабы говорят о кривизне Вселенной. Насколько точно мы способны измерить, она выглядит идеально плоской. Акустические барионные осцилляции дают ещё один метод наложения ограничений на кривизну, и приводят к сходным результатам.

Слоановский цифровой небесный обзор и спутник Планк дают нам наилучшие данные на сегодня. Они говорят о том, что если Вселенная и искривляется, замыкаясь на себя, то та её часть, что мы можем видеть, настолько неотличима от плоской, что её радиус должен не менее чем в 250 раз превышать радиус наблюдаемой части.

Это значит, что ненаблюдаемая Вселенная, если в ней нет никаких топологических странностей, должна иметь диаметр не менее 23 триллионов световых лет, а её объём должен быть, по крайней мере, в 15 млн раз больше, чем наблюдаемый нами.

Но если позволить себе рассуждать теоретически, мы можем вполне убедительно доказать, что размеры ненаблюдаемой Вселенной должны значительно превышать даже эти оценки.

Наблюдаемая Вселенная может иметь размер в 46 млрд световых лет во всех направлениях от нашего местоположения, но за этими пределами определённо существует и большая её часть, ненаблюдаемая, возможно, даже бесконечная, похожая на ту, что видим мы. Со временем мы сможем увидеть немного больше, но не всю её.

Горячий Большой взрыв может отмечать появление известной нам наблюдаемой Вселенной, но он не отмечает зарождение самого пространства и времени. До Большого взрыва Вселенная проходила период космической инфляции. Она была заполнена не материей и излучением, и не была горячей, а:

• была заполнена энергией, присущей самому пространству,
• расширялась с постоянной, экспоненциальной скоростью,
• и создавала новое пространство так быстро, что самая малая из возможных длин, планковская длина , растягивалась до размеров наблюдаемой сегодня Вселенной каждые 10-32 секунды.

Инфляция заставляет пространство расширяться экспоненциально, что может очень быстро привести к тому, что искривлённое или не гладкое пространство станет выглядеть плоским. Если Вселенная искривлена, радиус её кривизны, по меньшей мере, в сотни раз больше того, что мы можем наблюдать.