Вселенная: бесконечная и нестареющая

Вселенная: бесконечная и нестареющая

Долгое время считалось, что космическое пространство заполнено обычной материей — звездами, планетами, астероидами, кометами и сильно разреженным межгалактическим газом. Однако, в таком случае, открытое в XX веке, ускоренное расширение противоречит закону гравитации, согласно которому тела притягиваются друг к другу. Гравитационные силы бы замедляли расширение Вселенной, но никак не ускоряли бы его.

Тогда возникла гипотеза, что Вселенная по большей части заполнена не обычной материей, а некой «темной энергией», которая обладает особыми свойствами. Считается что она имеет отрицательное давление. Однако, никто не знает, что это такое и как работает, но, согласно одной из теорий, 70% Вселенной состоит именно из этой темной энергии.

Несмотря на то, что о ее наличии ведутся споры, некоторые теории конца Вселенной прямо или косвенно затрагивают идею существования такой материи.

Мы предлагаем для ознакомления как противоположные в этом вопросе, так и совсем не затрагивающие его научные теории, стремящиеся как можно рациональнее ответить на вопрос: имеет ли наша Вселенная конец или нет?

Вселенная не без конца, но будет расширяться

Согласно гипотезе, выдвинутой учеными Балтийского федерального университета имени Иммануила Канта, расположенного в Калининграде, у Вселенной есть границы, но при этом в ней отсутствует та самая темная энергия, о которой говорилось выше. Однако данная теория, хоть и «сдерживает» в определённых рамках весь космос, так и не даёт точного ответа как же выглядит конец Вселенной, при условии её продолжающегося расширения.

Связанные вопросы и ответы:

Что означает фраза "Космос не может стареть"

Бесконечность Вселенной подразумевает, что она должна быть бесконечна не только в пространстве, но и во времени, а значит, иметь бесчисленное количество звезд. В этом случае наше небо было бы сплошь усеянным светилами и ослепительно ярким круглые сутки. Однако небесная тьма свидетельствует о том, что космос не существовал вечно. По распространенной теории, все началось с Большого взрыва, который дал возможность самому существованию и расширению материи. Уже сама эта концепция опровергает идею вечности Вселенной, а значит, подрывает и веру в ее беспредельность. В то же время теория Большого взрыва создает определенные трудности для астрономов, ищущих границы нашего космического пространства.

Как можно объяснить бесконечность Вселенной

Теория Большого взрыва - это объяснение, основанное в основном на математических моделях, того, как и когда возникла Вселенная.

Космологическая модель Вселенной, описанная в теории Большого взрыва, объясняет, как она первоначально расширилась из состояния бесконечной плотности и температуры, известного как изначальная (или гравитационная) сингулярность. За этим расширением последовала космическая инфляция и резкое падение температуры. Во время этой фазы Вселенная раздувалась с гораздо большей скоростью, чем скорость света (в 10²⁶раз).

Впоследствии Вселенная была разогрета до такой степени, что элементарные частицы (кварки, лептоны и так далее) до постепенного понижения температуры (и плотности) привели к образованию первых протонов и нейтронов.

Через несколько минут после расширения протоны и нейтроны объединяются, образуя первичные ядра водорода и гелия-4. Предполагаемый радиус наблюдаемой Вселенной в течение этой фазы составлял 300 световых лет. Первые звезды и галактики появились примерно через 400 миллионов лет после этого события.

Важнейшим элементом модели Большого Взрыва является космическое сверхвысокочастотное фоновое излучение (Реликтовое излучение), представляющий собой электромагнитное излучение, оставшееся со времен зарождения Вселенной. Реликтовое излучение остается самым убедительным доказательством большого взрыва.

Хотя теория остается широко признанной во всем научном спектре, несколько альтернативных объяснений - таких, как стационарная Вселенная и вечная инфляция, приобрели привлекательность с годами.

Как космологические теории объясняют бесконечность Вселенной

Многие считают, что время течет с одинаковой скоростью при любых условиях. Это предположение действительно выглядит разумным, но на самом деле оно неправильное. Существует несколько различных способов, в которых неустойчивая природа времени могла бы позволить дальнему звездному свету достигнуть Земли в пределах библейского диапазона времени.

Альберт Эйнштейн показал, что скорость, с которой проходит время, зависит от движения и силы тяжести. Например, когда объект движется очень быстро, близко к скорости света, его время замедляется. Это называется «замедлением времени». 

Итак, если бы мы могли ускорить время почти до скорости света, то часы тогда шли бы очень медленно. А при достижении скорости света они вообще бы остановились. Проблема не с часами — эффект наблюдается независимо от конкретной конструкции, ведь само время будет замедляться. Аналогично этому, движение времени замедлится при гравитации. Например, часы на уровне моря будут идти несколько медленнее, чем на горе, так как уровень моря ближе к источнику силы тяжести.

Нам трудно поверить, что скорость или сила притяжения могут влиять на промежуток времени, поскольку наш повседневный опыт не может этого заметить. 

Согласитесь, когда мы едем в транспорте, время, как нам кажется, протекает с той же скоростью, что и тогда, когда мы стоим на месте. Но на самом деле это происходит только потому, что мы двигаемся очень медленно по сравнению со скоростью света, а земная сила тяжести настолько слаба, что эффект растяжения времени также, соответственно, очень мал. Однако достоверность эффекта замедления времени измерялась атомными часами.

Поскольку время может протекать с различными показателями с разных точек зрения, то и события, которые продолжаются долгое время и измерены одним человеком, будут занимать очень мало времени в сравнении с тем, как это будет, когда такое же измерение будет проводить другой человек. Это также касается отдаленных звезд. 

Свет, который будет двигаться миллиарды лет для достижения Земли (измеренный часами в глубоком космосе), может достичь ее поверхности всего лишь за несколько тысяч лет, согласно часам на Земле. Это происходило бы естественным образом, если бы Земля находилась в гравитационной скважине, о которой мы поговорим ниже.

Многие светские астрономы предполагают, что Вселенная бесконечно большая и имеет бесконечное количество галактик. Это никогда не было доказано, и не существует никаких доказательств, которые могли бы привести нас к такому выводу. Э то, в свою очередь, скачок «слепой» веры. Однако если мы вместо этого довода внесем другое предположение, это приведет к совершенно новому выводу. 

Предположим, что наша Солнечная система расположена недалеко от центра конечного распределения галактик. И хотя на данный момент это доказать невозможно, такая гипотеза вполне соответствует фактам и является вполне разумной возможностью.

В таком случае Земля будет находиться в гравитационной скважине. Данный термин означает, что для того, чтобы вытащить что-то из нашей среды в более глубокое пространство, нужна энергия. В гравитационной скважине мы не будем «чувствовать» дополнительную силу притяжения, тем не менее на Земле (или в любой точке нашей Солнечной системы) время будет протекать медленнее, чем в других местах Вселенной. 

Считается, что этот эффект сегодня мал, однако, возможно, в прошлом он был гораздо сильнее. (Если Вселенная расширяется, как считает большинство астрономов, тогда физика утверждает, что когда мир был меньше, такие эффекты были бы сильнее). 

В таком случае часы на Земле отмечали бы время гораздо медленнее, чем часы в глубоком космосе. Тогда свет от наиболее далеких галактик прибудет на Землю всего за несколько тысяч лет по часам на Земле. Эта идея, безусловно, интригует. И хотя существует еще несколько математических деталей, которые требуют разработки, такое предположение, безусловно, является разумным.

Какие доказательства существуют, что Вселенная не может стареть

В циклической модели Вселенная проходит через бесконечный самоподдерживающийся цикл. В 1930-х годах Альберт Эйнштейн высказал идею о том, что Вселенная может переживать бесконечный цикл больших взрывов и больших сжатий. Расширение нашей Вселенной может быть результатом коллапса предшествующей вселенной. В рамках этой модели можно сказать, что Вселенная возродилась из гибели своей предшественницы. Если это так, то Большой взрыв не был чем-то уникальным, это всего лишь один незначительный взрыв среди бесконечного числа других. Циклическая теория необязательно заменяет собой теорию Большого взрыва: она скорее пытается ответить на иные вопросы: например, что было до Большого взрыва и почему Большой взрыв привел к периоду быстрого расширения?

Одна из новых циклических моделей Вселенной была предложена Полом Стейнхардтом и Нилом Туроком в 2001 году. Стейнхардт описал эту модель в своей статье, которая так и называлась — «Циклическая модель Вселенной» (The Cyclic Model of the Universe). В теории струн мембрана, или «брана», — объект, существующий в определенном количестве измерений. Согласно Стейнхардту и Туроку, видимые нам три пространственных измерения соответствуют этим бранам. Две трехмерные браны могут существовать параллельно, разделенные дополнительным, скрытым измерением. Эти браны — их можно воспринимать как металлические пластины — могут двигаться вдоль этого дополнительного измерения и сталкиваться друг с другом, создавая Большой взрыв, а значит, и вселенные (вроде нашей). При их столкновении события разворачиваются согласно стандартной модели Большого взрыва: создаются горячее вещество и излучение, происходит быстрая инфляция, а затем все остывает — и формируются такие структуры, как галактики, звезды и планеты. Однако Стейнхардт и Турок утверждают, что между этими бранами всегда присутствует некоторое взаимодействие, которое они называют межбранным: оно притягивает их друг к другу, из-за чего они снова сталкиваются и производят следующий Большой взрыв.

Модель Стейнхардта и Турока тем не менее оспаривает некоторые предположения модели Большого взрыва. Например, согласно им, Большой взрыв был не началом пространства и времени, а скорее переходом от более ранней фазы эволюции. Если говорить о модели Большого взрыва, то она гласит, что это событие положило непосредственное начало пространству и времени как таковым. Кроме того, в этом цикле сталкивающихся бран крупномасштабная структура Вселенной должна определяться фазой сжатия: то есть это происходит перед тем, как они столкнутся и произойдет очередной Большой взрыв. Согласно теории Большого взрыва, крупномасштабная структура Вселенной определяется периодом быстрого расширения (инфляции), который имел место вскоре после взрыва. Более того, модель Большого взрыва не предсказывает, сколько времени будет существовать Вселенная, а в рамках модели Стейнхардта продолжительность каждого цикла — примерно триллион лет.

Как космологические модели объясняют бесконечность Вселенной

Впрочем, имеются основания полагать, что она больше. Большой Взрыв мог ознаменовать начало наблюдаемой Вселенной, какой мы ее знаем, но он не знаменует рождение времени и пространства как таковых. До Большого Взрыва Вселенная переживала период космической инфляции. Она не была наполнена материей и излучением и не была горячей. Она:

• была наполнена энергией, присущей самому пространству;
• расширялась в постоянном экспоненциальном порядке;
• создавала новое пространство так быстро, что самая маленькая физическая длина, длина Планка, растягивалась до размеров наблюдаемой сегодня Вселенной каждые 10^-32секунд.

Верно, в нашем регионе Вселенной инфляция завершилась. Но есть несколько вопросов, на которые мы пока не знаем ответа, которые могут определить истинный размер Вселенной, а также и то, бесконечна она или нет.

Насколько большой была область Вселенной после инфляции, в которой родился наш Большой Взрыв?

Глядя на нашу Вселенную сегодня, на равномерное послесвечение Большого Взрыва и на плоскость Вселенной, мы можем извлечь не так много. Мы можем определить высший предел энергетического масштаба, при котором происходила инфляция; мы можем определить, какая часть Вселенной прошла через инфляцию; мы можем определить нижний предел того, сколько должна была продолжаться инфляция. Но кармашек инфляционной Вселенной, в которой родилась наша собственная, может быть намного, намного больше нижнего предела. Он может быть в сотни, миллионы или гуголы раз больше, чем мы можем наблюдать… или воистину бесконечным. Но пока мы не сможем наблюдать больше Вселенной, чем доступно нам в настоящее время, мы не получим достаточно информации, чтобы ответить на этот вопрос.

Если вам интересны новости науки и технологий, подпишитесь на нас в Яндекс.Дзен , чтобы не пропускать новые материалы!

Какие физические законы поддерживают идею бесконечности Вселенной

Оказалось, что в то время Вселенная была почти идеально однородной, но некоторые области были более или менее плотным, чем в среднем, на 1 часть из 30 000 . Этого достаточно, чтобы сформировались звезды, галактики, галактические скопления и космические пустоты, которые мы наблюдаем сегодня. Но в тех ранних несовершенствах, которые мы видим из этого космического снимка, содержится невероятно много информации о Вселенной. К примеру, поразительный факт: кривизна пространства, насколько нам известно, абсолютно плоская. Если бы пространство было выгнуто, как если бы мы жили на поверхности четырехмерной сферы, дальние лучи света сливались бы. Если бы пространство было вогнуто, как поверхность четырехмерного седла, дальние лучи расходились бы. Но нет, дальние лучи света движутся в заданном изначально направлении, а флуктуации отражают практически идеальную плоскость.

Величины горячих и холодных пятен, а также их масштабы указывают на кривизну Вселенной. Мы пришли к выводу, что она идеально плоская

Из ограничений, связанных как с космическим микроволновым фоном, так и крупномасштабной структурой Вселенной в совокупности, можно заключить, что если Вселенная конечна и замыкается на себе, она должна быть как минимум в 250 раз больше той части, которую мы наблюдаем. Поскольку мы живем в трех измерениях, 250 умножить на радиус означают (250)³объема, а это в 15 миллионов раз больше пространства. И все же, каким бы большим это число ни казалось, оно не бесконечно. Нижняя граница Вселенной будет минимум 11 триллионов световых лет во всех направлениях, и это много, но по-прежнему конечно.

Что было до большого взрыва?

И конечно, у нас есть причины полагать, что Вселенная намного больше этого. Большой Взрыв мог обозначить начало наблюдаемой Вселенной, к которой мы привыкли, но он необязательно будет обозначать рождение самого пространства-времени. До Большого Взрыва Вселенная переживала период космической инфляции. Вместо того, чтобы быть заполненной материей и излучением в горячем состоянии, Вселенная была другой:

• заполненной энергией, присущей самому пространству;
• расширялась с постоянной экспоненциальной скоростью;
• создавала новое пространство так быстро, что наименьшую физическую длину, длину Планка, можно было растянуть до размеров наблюдаемой в настоящее время Вселенной всего за 10^-32секунды.

Инфляция приводит к тому, что пространство расширяется экспоненциально, что может очень быстро привести к тому, что любое ранее искривленное пространство окажется плоским.

В нашем регионе Вселенной инфляция завершилась, это правда. Но есть три вопроса, на которые мы не знаем ответа. Они крайне важны для определения того, насколько велика Вселенная на самом деле и бесконечна она или нет.

Если вам интересны новости науки и технологий, подпишитесь на нас в Google Новостях и Яндекс.Дзен , чтобы не пропускать новые материалы!