Ste vedeli, da ima vesolje, ki ga opazujemo, dokaj določene meje? Navajeni smo povezovati Vesolje z nečim neskončnim in nerazumljivim. Vendar sodobna znanost na vprašanje "neskončnosti" Vesolja ponuja popolnoma drugačen odgovor na tako "očitno" vprašanje.
Po sodobnih konceptih je velikost opazovanega vesolja približno 45,7 milijarde svetlobnih let (ali 14,6 gigaparseka). Toda kaj pomenijo te številke?
Meja brezmejnega
Prvo vprašanje, ki se navadi navadnega človeka, je, kako vesolje sploh ne more biti neskončno? Nesporno se zdi, da posoda vsega, kar obstaja okoli nas, ne bi smela imeti meja. Če te meje obstajajo, kakšne so?
Recimo, da je nekaj astronavtov odletelo na meje vesolja. Kaj bo videl pred seboj? Trden zid? Požarna pregrada? In kaj stoji za tem - praznina? Še eno vesolje? Toda ali lahko praznina ali drugo Vesolje pomeni, da smo na meji vesolja? Navsezadnje to še ne pomeni, da ni "nič". Praznina in drugo Vesolje sta tudi "nekaj". Toda Vesolje je nekaj, kar vsebuje absolutno vse "nekaj".
Prihajamo do absolutnega nasprotja. Izkaže se, da bi meja Vesolja morala skrivati pred nami nekaj, česar ne bi smeli biti. Ali pa bi morala biti meja Vesolja ograjena od "vsega" od "nečesa", vendar bi moralo biti tudi to "nekaj" del "vsega". Na splošno popoln absurd. Kako lahko potem znanstveniki trdijo o omejujoči velikosti, masi in celo starosti našega vesolja? Te vrednosti, čeprav nepredstavljivo velike, so še vedno končne. Se znanost prepira z očitnim? Da bi se tega lotili, najprej izsledimo, kako so ljudje prišli do sodobnega razumevanja vesolja.
Promocijski video:
Širitev meja
Človeka že od nekdaj zanima, kakšen je svet okoli njih. Ni treba navajati primerov treh kitov in drugih poskusov starodavnih, da bi razložili vesolje. Praviloma se je na koncu vse izkazalo, da je temelj vsega, kar obstaja, zemeljska trdnost. Tudi v antiki in srednjem veku, ko so astronomi imeli obsežno znanje o zakonih, ki urejajo gibanje planetov vzdolž "fiksne" nebesne krogle, je Zemlja ostala središče vesolja.
Seveda so bili tudi v starodavni Grčiji tisti, ki so verjeli, da se Zemlja vrti okoli Sonca. Bilo je takih, ki so govorili o številnih svetovih in neskončnosti vesolja. Toda konstruktivna utemeljitev teh teorij je nastala šele na prelomu znanstvene revolucije.
Poljski astronom Nikolaj Kopernik je v 16. stoletju storil prvi večji preboj v razumevanju Vesolja. Trdno je dokazal, da je Zemlja le eden izmed planetov, ki kroži okoli Sonca. Tak sistem je močno poenostavil razlago tako zapletenega in zapletenega gibanja planetov v nebesni sferi. V primeru stacionarne zemlje so morali astronomi izumiti najrazličnejše domiselne teorije, da bi razložili to vedenje planetov. Po drugi strani pa, če je Zemlja sprejeta, je razlaga za tako zapletene premike seveda. Tako se je v astronomiji uveljavila nova paradigma, imenovana "heliocentrizem".
Veliko soncev
Vendar pa so astronomi tudi po tem vesolje še naprej omejili na "sfero fiksnih zvezd". Do 19. stoletja niso mogli oceniti razdalje do zvezd. Že več stoletij so astronomi zaman poskušali zaznati odstopanja v položaju zvezd glede na Zemljino orbitalno gibanje (letne paralakse). Instrumenti iz tistih časov niso omogočali tako natančnih meritev.
Vega, posnel ESO
Nazadnje je leta 1837 rusko-nemški astronom Vasilij Struve izmeril paralakso α Lyre. To je pomenilo nov korak v razumevanju obsega prostora. Zdaj bi znanstveniki lahko varno rekli, da so zvezde oddaljene podobnosti s Soncem. In od zdaj naprej naša svetilnica ni središče vsega, ampak enakovreden "prebivalec" neskončnega zvezdnega grozda.
Astronomi so se še bolj približali razumevanju obsega vesolja, saj so se razdalje do zvezd izkazale za resnično pošastne. Tudi velikost orbite planetov se je v primerjavi s tem zdela nepomembna. Potem je bilo treba razumeti, kako so zvezde koncentrirane v Vesolju.
Veliko mlečne poti
Slavni filozof Immanuel Kant je že leta 1755 predvidel temelje sodobnega razumevanja obsežne strukture vesolja. Predpostavil je, da je Mlečna pot ogromna vrteča se skupina zvezd. Številne opažene meglice pa so tudi bolj oddaljene "mlečne poti" - galaksije. Kljub temu so se astronomi do 20. stoletja držali dejstva, da so vse meglice vir nastajanja zvezd in so del Mlečne poti.
Položaj se je spremenil, ko so astronomi izvedeli, kako meriti razdalje med galaksijami s pomočjo cefidov. Absolutna svetilnost zvezd te vrste je strogo odvisna od obdobja njihove spremenljivosti. Če primerjamo njihovo absolutno svetilnost z vidno, je mogoče z veliko natančnostjo določiti razdaljo do njih. To metodo sta v začetku 20. stoletja razvila Einar Herzsrung in Harlow Shelpy. Zahvaljujoč njemu je sovjetski astronom Ernst Epik leta 1922 določil razdaljo do Andromede, za katero se je izkazalo, da je velikost večja od velikosti Mlečne poti.
Edwin Hubble je nadaljeval prizadevanje Epic. Z merjenjem svetlosti cefeidov v drugih galaksijah je meril razdaljo do njih in jo primerjal s rdečim premikom v njihovih spektrih. Tako je leta 1929 razvil svoj znameniti zakon. Njegovo delo je dokončno ovrglo ustaljeno prepričanje, da je Mlečna pot rob vesolja. Zdaj je bila ena izmed mnogih galaksij, ki je nekoč veljala za njen sestavni del. Kantova hipoteza se je potrdila skoraj dve stoletji po njenem razvoju.
Pozneje je povezava med oddaljenostjo galaksije od opazovalca in hitrostjo njene odstranitve od opazovalca, ki jo je odkril Hubble, omogočila sestaviti popolno sliko obsežne strukture vesolja. Izkazalo se je, da so bile galaksije le majhen del le-tega. Povezali so se v grozde, grozdi v superklaster. Po drugi strani se superklasti zlagajo v največje znane strukture v vesolju - nitke in stene. Te strukture, ki mejijo na ogromne supervoide (praznine), tvorijo obsežno strukturo trenutno znanega vesolja.
Navidezna neskončnost
Iz zgoraj navedenega izhaja, da je znanost v samo nekaj stoletjih postopoma preskočila od geocentrizma do sodobnega razumevanja Vesolja. Vendar to ne daje odgovora, zakaj v teh dneh omejujemo Vesolje. Konec koncev je šlo do zdaj le za obseg kozmosa in ne za njegovo naravo.
Evolucija vesolja
Prvi, ki se je odločil upravičiti neskončnost Vesolja, je bil Isaac Newton. Ko je odkril zakon univerzalne gravitacije, je verjel, da če se vesolje omeji, bi se vsa njena telesa prej ali slej združila v eno samo celoto. Pred njim, če je kdo izrazil idejo o neskončnosti Vesolja, je bilo to izključno v filozofskem ključu. Brez kakršne koli znanstvene utemeljitve. Primer tega je Giordano Bruno. Mimogrede, tako kot Kant je bil pred mnogimi stoletji pred znanostjo. Bil je prvi, ki je izjavil, da so zvezde oddaljeni sonci, okoli njih se vrtijo tudi planeti.
Zdi se, da je že samo dejstvo neskončnosti povsem upravičeno in očitno, vendar je prelomnica znanosti 20. stoletja pretresla to "resnico".
Stacionarno vesolje
Albert Einstein je naredil prvi pomemben korak k razvoju sodobnega modela vesolja. Slavni fizik je svoj model nepremičnega vesolja predstavil leta 1917. Ta model je temeljil na splošni teoriji relativnosti, ki jo je razvil istega leta prej. Po njegovem modelu je vesolje neskončno v času in končno v vesolju. Kot je bilo že prej omenjeno, pa bi se po Newtonovem mnenju moralo porušiti vesolje končnih velikosti. V ta namen je Einstein uvedel kozmološko konstanto, s katero je kompenziral gravitacijsko privlačnost oddaljenih predmetov.
Kot paradoksalno, kot se morda sliši, Einstein ni omejeval zelo končnosti vesolja. Po njegovem mnenju je Vesolje zaprta lupina hipersfere. Analogija je površina navadne tridimenzionalne krogle, na primer globusa ali Zemlje. Ne glede na to, koliko popotnik potuje okoli Zemlje, nikoli ne bo dosegel njenega roba. Vendar to sploh ne pomeni, da je Zemlja neskončna. Popotnik se bo preprosto vrnil na kraj, kjer je začel svojo pot.
Na površini hipersfere
Tudi vesoljski popotnik, ki na zvezdni ladji premaga Einsteinovo vesolje, se lahko vrne nazaj na Zemljo. Šele tokrat se bo popotnik premikal ne po dvodimenzionalni površini krogle, temveč po tridimenzionalni površini hipersfere. To pomeni, da ima vesolje končni volumen in s tem končno število zvezd in mase. Vendar vesolje nima meja ali središča.
Prihodnost vesolja
Einstein je do takšnih zaključkov prišel s povezovanjem prostora, časa in gravitacije v svoji znameniti teoriji. Pred njim so ti koncepti veljali za ločene, zato je bil prostor Vesolja čisto evklidski. Einstein je dokazal, da je gravitacija sama po sebi ukrivljenost vesolja. To je korenito spremenilo zgodnje razumevanje narave Vesolja, ki temelji na klasični newtonski mehaniki in evklidski geometriji.
Širjenje vesolja
Tudi sam odkritelj "novega Vesolja" ni bil neznanka zablode. Čeprav je Einstein vesolje omejeval v vesolju, ga je še naprej obravnaval kot statično. Po njegovem vzoru je bilo Vesolje in ostaja večno, njegova velikost pa vedno ostaja enaka. Leta 1922 je sovjetski fizik Alexander Fridman ta model bistveno razširil. Po njegovih izračunih vesolje sploh ni statično. Sčasoma se lahko razširi ali skrči. Omeniti je, da je Friedman prišel do takšnega modela, ki temelji na isti teoriji relativnosti. To teorijo je znal bolj pravilno uporabiti, tako da je mimo kozmološke konstante.
Albert Einstein te "spremembe" ni takoj sprejel. Prej omenjeno odkritje Hubble je rešilo ta novi model. Razpršitev galaksij je nesporno dokazal dejstvo širitve Vesolja. Torej je moral Einstein priznati svojo napako. Zdaj je vesolje imelo določeno starost, ki je strogo odvisna od Hubblove konstante, ki je značilna za hitrost njegovega širjenja.
Nadaljnji razvoj kozmologije
Ko so znanstveniki poskušali rešiti to vprašanje, so odkrili številne druge pomembne sestavine vesolja in razvili različne modele. Georgy Gamov je tako leta 1948 predstavil hipotezo "o vročem vesolju", ki bi se kasneje prelevila v teorijo velikega banga. Odkritje relikvijskega sevanja leta 1965 je potrdilo njegova ugibanja. Astronomi so zdaj lahko opazovali svetlobo, ki je prišla od trenutka, ko je vesolje postalo prozorno.
Temna snov, ki jo je leta 1932 napovedal Fritz Zwicky, je bila potrjena leta 1975. Temna materija dejansko razlaga sam obstoj galaksij, galaktičnih grozdov in vesolja kot celote. Tako so znanstveniki izvedeli, da je večina mase Vesolja popolnoma nevidna.
Iz česa je sestavljeno vesolje
Nazadnje je bilo leta 1998 med študijo razdalje do supernove vrste Ia ugotovljeno, da se vesolje širi s pospeševanjem. Naslednja prelomnica v znanosti je povzročila sodobno razumevanje narave vesolja. Kozmološki koeficient, ki ga je uvedel Einstein in ki ga je Friedman ovrgel, je znova našel svoje mesto v modelu Vesolja. Prisotnost kozmološkega koeficienta (kozmološka konstanta) pojasnjuje njegovo pospešeno širitev. Za razlago prisotnosti kozmološke konstante je bil uveden koncept temne energije - hipotetičnega polja, ki vsebuje večino mase vesolja.
Trenutni model vesolja imenujemo tudi ΛCDM model. Črka "Λ" označuje prisotnost kozmološke konstante, ki pojasnjuje pospešeno širitev vesolja. CDM pomeni, da je vesolje napolnjeno s hladno temno snovjo. Nedavne študije kažejo, da je Hubblova stalnica približno 71 (km / s) / Mpc, kar ustreza starosti vesolja 13,75 milijarde let. Če poznamo starost vesolja, lahko ocenimo velikost njegovega opazovanega območja.
Evolucija vesolja
Po teoriji relativnosti podatki o katerem koli predmetu ne morejo opazovalca doseči s hitrostjo večjo od svetlobne hitrosti (299792458 km / s). Izkaže se, da opazovalec ne vidi le predmeta, temveč njegovo preteklost. Dlje kot je predmet od njega, bolj oddaljena je videti. Na primer, ko gledamo Luno, vidimo, kaj je bilo pred nekaj več kot sekundo, Sonce - pred več kot osmimi minutami, najbližje zvezde - leta, galaksije - pred milijoni let itd. V Einsteinovem stacionarnem modelu vesolje nima starostne meje, kar pomeni, da njegovo opazovano območje prav tako ni omejeno z ničemer. Opazovalec, oborožen z vse bolj naprednimi astronomskimi instrumenti, bo opazoval vedno bolj oddaljene in starodavne predmete.
Z modernim modelom Vesolja imamo drugačno sliko. Vesolje ima po njenih besedah starost in s tem mejo opazovanja. To pomeni, da od rojstva Vesolja noben foton ne bi imel časa, da bi prehodil razdaljo, večjo od 13,75 milijarde svetlobnih let. Izkaže se, da lahko trdimo, da je opazovano Vesolje od opazovalca omejeno sferično območje s polmerom 13,75 milijarde svetlobnih let. Vendar to ni povsem res. Ne pozabite na širitev vesolja Vesolja. Dokler foton ne pride do opazovalca, bo objekt, ki ga je oddajal, od nas 45,7 milijarde sv. let. Ta velikost je obzorje delcev in je meja opazovanega Vesolja.
Torej je velikost opazovanega Vesolja razdeljena na dve vrsti. Vidna velikost, imenovana tudi Hubblejev polmer (13,75 milijarde svetlobnih let). In resnična velikost, imenovana obzorje delcev (45,7 milijarde svetlobnih let). V bistvu oba ta obzorja sploh ne označujeta resnične velikosti Vesolja. Najprej so odvisni od položaja opazovalca v vesolju. Drugič, sčasoma se spreminjajo. V primeru modela ΛCDM se obzorje delcev razširi s hitrostjo, večjo od Hubbleovega obzorja. Na vprašanje, ali se bo ta trend v prihodnosti spremenil, sodobna znanost ne daje odgovora. Če pa domnevamo, da se Vesolje še naprej širi s pospeševanjem, bodo vsi tisti predmeti, ki jih vidimo zdaj, slej ko prej izginili iz našega »vidnega polja«.
Trenutno je najbolj oddaljena svetloba, ki jo opazujejo astronomi, sevanje mikrovalovnega ozadja. Pozorni znanstveniki vidijo vesolje, kot je bilo 380 tisoč let po velikem udaru. V tem trenutku se je Vesolje tako ohladilo, da je lahko oddajalo brezplačne fotone, ki jih danes zajemamo s pomočjo radijskih teleskopov. V tistih dneh v vesolju ni bilo zvezd ali galaksij, ampak le trden oblak vodika, helija in nepomembna količina drugih elementov. Iz nehomogenosti, ki jih opazimo v tem oblaku, se bodo naknadno oblikovali galaktični grozdi. Izkazalo se je, da so točno tisti predmeti, ki nastanejo iz nehomogenosti reliktnega sevanja, nameščeni najbližje obzorju delcev.
Resnične meje
Ali ima vesolje resnične, neopazne meje, je še vedno predmet psevdoznanstvenih domnev. Tako ali drugače se vsi zbližajo v neskončnosti Vesolja, vendar to neskončnost razlagajo na povsem različne načine. Nekateri menijo, da je vesolje večdimenzionalno, kjer je naše “lokalno” tridimenzionalno vesolje le ena od njegovih plasti. Drugi pravijo, da je vesolje fraktalno - kar pomeni, da je naše lokalno vesolje lahko delček drugega. Ne pozabite na različne modele Multiverse z njegovimi zaprtimi, odprtimi, vzporednimi vesolji, črvotoki. In obstaja veliko, veliko različnih različic, katerih število omejuje le človeška domišljija.
Toda če vklopimo hladni realizem ali se preprosto oddaljujemo od vseh teh hipotez, potem lahko domnevamo, da je naše Vesolje neskončno homogeno odlagališče vseh zvezd in galaksij. Še več, na kateri koli zelo oddaljeni točki, če gre za milijarde gigaparsekov od nas, bodo vsi pogoji popolnoma enaki. Na tej točki bo obstajal popolnoma enak horizont delcev in Hubblova krogla z enakim relikvijskim sevanjem na njihovem robu. Naokoli bodo enake zvezde in galaksije. Zanimivo je, da to ne nasprotuje širitvi vesolja. Navsezadnje se ne širi samo Vesolje, ampak tudi sam njegov prostor. Dejstvo, da je Vesolje v trenutku velikega treme nastalo iz ene točke, samo govori, da so se neskončno majhne (praktično nič) dimenzije, ki so se takrat spremenile v nepredstavljivo velike. V nadaljevanju bomo uporabili ravno to hipotezo, da bomo to zagotoviliki jasno razumejo obseg opazovalnega vesolja.
Vizualna predstavitev
Različni viri ponujajo vse vrste vizualnih modelov, ki ljudem omogočajo razumevanje obsega vesolja. Vendar pa ni dovolj, da se zavedamo, kako velik je kozmos. Pomembno je razumeti, kako se pojmi, kot sta Hubble obzorje in obzorje delcev, dejansko manifestirajo. Če želite to narediti, si zamislimo naš model korak za korakom.
Pozabimo, da sodobna znanost ne ve o "tuji" regiji Vesolja. Če zavračate različice o multiverzumu, fraktalnem Vesolju in drugih njegovih "sortah", si predstavljajte, da je preprosto neskončno. Kot smo že omenili, to ne nasprotuje širitvi njenega prostora. Seveda upoštevajmo dejstvo, da sta njegova Hubblova krogla in krogla delcev enaki 13,75 oziroma 45,7 milijard svetlobnih let.
Lestvica vesolja
Za začetek poskusimo spoznati, kako velika je univerzalna lestvica. Če ste potovali okoli našega planeta, si potem dobro predstavljate, kako velika je Zemlja za nas. Zdaj si predstavljajmo naš planet kot ajdovo zrno, ki kroži okoli lubenice-sonca, polovice velikosti nogometnega igrišča. V tem primeru bo orbita Neptuna ustrezala velikosti majhnega mesta, območju oblaka Oort do Lune, območju meje vpliva Sonca na Mars. Izkaže se, da je naš Osončje toliko večji od Zemlje, kolikor je Mars večji od ajde! Toda to je šele začetek.
Zdaj pa si predstavljajmo, da bo ta ajda naš sistem, katerega velikost je približno enaka enemu parseku. Potem bo Mlečna pot velikosti dveh nogometnih stadionov. Vendar tudi to nam ne bo dovolj. Mlečno pot bomo morali zmanjšati na centimeter. Nekoliko bo spominjala na kavno peno, zavito v vrtinec sredi kavno črnega intergalaktičnega prostora. Dvajset centimetrov od nje je ista spiralna "drobtina" - meglica Andromeda. Okoli njih bo roj majhnih galaksij z našega lokalnega grozda. Navidezna velikost našega Vesolja bo 9,2 kilometra. Spoznali smo univerzalne dimenzije. V notranjosti univerzalnega mehurčka
Vendar pa ni dovolj, da sami razumemo lestvico. Pomembno je razumeti dinamiko vesolja. Predstavljajmo se kot velikani, za katere ima Mlečna pot centimeter premer. Kot smo že ugotovili, se znajdemo znotraj krogle s polmerom 4,57 in premerom 9,24 kilometra. Predstavljajmo si, da lahko lebdimo v tej sferi, potujemo in v sekundi premagamo cele megaparcese. Kaj bomo videli, če je naše vesolje neskončno?
Seveda bo pred nami neskončno število vseh vrst galaksij. Eliptična, spiralna, nepravilna. Nekatera območja bodo polna njih, druga pa bodo prazna. Glavna značilnost bo, da bodo vizualno vsi negibni, medtem ko smo mi negibni. Toda takoj ko naredimo korak, se bodo same galaksije začele premikati. Na primer, če lahko v centimetrski Mlečni poti opazimo mikroskopski Sončni sistem, lahko opazimo njegov razvoj. Če se oddaljimo 600 metrov od naše galaksije, bomo v času nastajanja videli protostar Sonce in protoplanetarni disk. Če se ji približamo, bomo videli, kako se zdi Zemlja, življenje in človek. Prav tako bomo videli, kako se galaksije spreminjajo in premikajo, ko se oddaljujemo ali se jim približamo.
Posledično bomo bolj oddaljene galaksije gledali, bolj starodavne bodo za nas. Torej bodo najbolj oddaljene galaksije oddaljene več kot 1300 metrov od nas, na prehodu 1380 metrov pa bomo videli relikvijsko sevanje. Res je, ta razdalja bo namišljena. Vendar ko se bomo približali relikvijskim sevanjem, bomo videli zanimivo sliko. Seveda bomo opazovali, kako se bodo galaksije oblikovale in razvijale iz prvotnega oblaka vodika. Ko dosežemo eno od teh oblikovanih galaksij, bomo razumeli, da smo premagali sploh ne 1.375 kilometrov, ampak vseh 4,57.
Zmanjševanje
Kot rezultat, bomo še bolj rasli po velikosti. Zdaj lahko v pest položimo cele praznine in stene. Tako se znajdemo v precej majhnem mehurčku, iz katerega je nemogoče izstopiti. Ko se bližajo bližje, se ne bo samo povečala razdalja do predmetov na robu mehurja, temveč bo sam rob neskončno lezel. To je celotna poanta velikosti opazovalnega vesolja.
Ne glede na to, kako velik je vesolje, bo za opazovalca vedno ostal mehurček. Opazovalec bo vedno v središču tega mehurčka, v resnici je on njegovo središče. Ko poskuša priti do katerega koli predmeta na robu mehurčka, bo opazovalec premaknil njegovo središče. Ko se približa objektu, se bo ta objekt premikal vse dlje in dalje od roba mehurčka in se hkrati spreminjal. Na primer, iz brezobličnega vodikovega oblaka se bo spremenil v polno galaksijo ali naprej v galaksije. Poleg tega se bo pot do tega predmeta povečala, ko se mu približate, saj se bo spremenil tudi sam okoliški prostor. Ko pridemo do tega predmeta, ga preprosto premaknemo od roba mehurčka do njegovega središča. Na robu vesolja bo utripalo tudi reliktno sevanje.
Če predpostavimo, da se bo Vesolje še naprej širilo s pospešeno hitrostjo, potem pa bo v središču mehurčka in se vije nekaj milijard, trilijonov in še višje zaporedja let pred nami, bomo opazili še bolj zanimivo sliko. Čeprav bo tudi naš mehurček naraščal v velikosti, se bodo njegove mutirajoče komponente še hitreje oddaljile od nas, tako da bodo zapustile rob tega mehurčka, dokler se vsak delček Vesolja ne razkropi po njegovem osamljenem mehurčku, ne da bi lahko sodeloval z drugimi delci.
Torej sodobna znanost nima informacij o tem, kakšne so resnične dimenzije Vesolja in ali ima meje. A zagotovo vemo, da ima opazovano Vesolje vidno in resnično mejo, imenovano Hubblejev polmer (13,75 milijarde svetlobnih let) in polmer delcev (45,7 milijarde svetlobnih let). Te meje so popolnoma odvisne od položaja opazovalca v prostoru in se sčasoma širijo. Če se polmer Hubblea širi strogo s svetlobno hitrostjo, potem se pospeši širitev obzorja delcev. Vprašanje, ali se bo njegovo pospeševanje obzorja delcev nadaljevalo in ali se ne bo spremenilo na stiskanje, ostaja odprto.