Анализирайки резултатите от наблюденията на галактиките и космическото микровълново фоново лъчение, астрономите стигнаха до извода, че разпределението на материята във Вселената (районът на изследваното пространство надвишава 100 Mpc в диаметър) е хомогенно и изотропно, т.е. не зависи от положение и посока в пространството (виж Космология) . И такива свойства на пространството, според теорията на относителността, неизбежно водят до промяна във времето в разстоянията между телата, изпълващи Вселената, т.е. Вселената трябва да се разширява или свива, а наблюденията показват разширение.
Разширяването на Вселената се различава значително от обикновеното разширение на материята, например от разширяването на газ в цилиндър. Газът, разширявайки се, променя позицията на буталото в цилиндъра, но цилиндърът остава непроменен. Във Вселената има разширяване на цялото пространство като цяло. Следователно въпросът в каква посока става разширяването става безсмислен във Вселената. Това разширяване се извършва в много голям мащаб. В рамките на звездни системи, галактики, клъстери и свръхкупове от галактики не се случва разширение. Такива гравитационно свързани системи са изолирани от общото разширяване на Вселената.
Заключението, че Вселената се разширява, се потвърждава от наблюденията на червеното изместване в спектрите на галактиките.
Нека светлинните сигнали се изпращат от определена точка в пространството в два момента и се наблюдават в друга точка в пространството.
Поради промяна в мащаба на Вселената, т.е. увеличаване на разстоянието между точките на излъчване и наблюдение на светлината, вторият сигнал трябва да измине по-голямо разстояние от първия. И тъй като скоростта на светлината е постоянна, вторият сигнал се забавя; интервалът между сигналите в точката на наблюдение ще бъде по-голям, отколкото в точката на тяхното заминаване. Колкото по-голямо е разстоянието между източника и наблюдателя, толкова по-голямо е забавянето. Естествен стандарт за честота е честотата на излъчване по време на електромагнитни преходи в атомите. Поради описания ефект от разширяването на Вселената, тази честота намалява. По този начин, когато се наблюдава емисионният спектър на някаква далечна галактика, всички нейни линии трябва да бъдат изместени в червено в сравнение с лабораторните спектри. Това явление на червено отместване е ефектът на Доплер (вижте Радиална скорост) от взаимното „разсейване“ на галактиките и се наблюдава в действителност.
Големината на червеното отместване се измерва чрез отношението на променената честота на излъчване към първоначалната. Колкото по-голямо е разстоянието до наблюдаваната галактика, толкова по-голяма е промяната на честотата.
Така, чрез измерване на червеното отместване от спектрите, се оказва възможно да се определи скоростта v на галактиките, с която се отдалечават от наблюдателя. Тези скорости са свързани с разстояния, наречени константа на Хъбъл.
Точното определяне на стойността е изпълнено с големи трудности. Въз основа на дългосрочни наблюдения понастоящем приетата стойност е .
Тази стойност съответства на увеличение на скоростта на рецесията на галактиката, равно на приблизително 50-100 km/s за всеки мегапарсек разстояние.
Законът на Хъбъл дава възможност да се оценят разстоянията до галактики, разположени на огромни разстояния, въз основа на червеното отместване на линиите, измерени в техните спектри.
Законът за рецесията на галактиката се извлича от наблюдения от Земята (или, може да се каже, от нашата Галактика) и по този начин описва разстоянието на галактиките от Земята (нашата Галактика). От това обаче не може да се заключи, че именно Земята (нашата Галактика) е в центъра на разширяването на Вселената. Простите геометрични конструкции ни убеждават, че законът на Хъбъл е валиден за наблюдател, намиращ се в някоя от галактиките, участващи в рецесията.
Законът за разширението на Хъбъл показва, че материята във Вселената някога е била с много висока плътност. Времето, което ни дели от това състояние, условно може да се нарече възраст на Вселената. Определя се от стойността
Тъй като скоростта на светлината е крайна, крайната възраст на Вселената съответства на крайната област на Вселената, която можем да наблюдаваме в момента. Освен това най-отдалечените видими части от Вселената съответстват на най-ранните моменти от нейната еволюция. В тези моменти във Вселената могат да се раждат и взаимодействат различни елементарни частици. Анализирайки процесите, протичащи с участието на такива частици в първата секунда от разширяването на Вселената, теоретичната космология намира, базирайки се на теорията за елементарните частици, отговори на въпросите защо във Вселената няма антиматерия и дори защо Вселената се разширява.
Много от прогнозите на теорията за физическите процеси на елементарните частици се отнасят до енергийни области, които са недостижими в съвременните земни лабораторни условия, например в ускорители.
Но в периода преди първата секунда от разширяването на Вселената е трябвало да съществуват частици с такава енергия. Затова физиците гледат на разширяващата се Вселена като на естествена лаборатория на елементарни частици.
В тази лаборатория можете да провеждате „мисловни експерименти“, да анализирате как съществуването на определена частица би повлияло на физическите процеси във Вселената, как това или онова предсказание на теорията ще се прояви в астрономическите наблюдения.
Теорията на елементарните частици се използва за обяснение на „скритата маса“ на Вселената. За да се обясни как са се образували галактиките, как се движат в галактически купове и много други характеристики на разпределението на видимата материя, се оказва необходимо да се приеме, че повече от 80% от масата на Вселената е скрита под формата на невидима слабо взаимодействащи частици. В тази връзка в космологията широко се обсъждат неутрино с ненулева маса на покой, както и нови хипотетични частици.
Вселената не е статична. Това беше потвърдено от изследването на астронома Едуин Хъбъл през 1929 г., тоест преди почти 90 години. Тази идея му е подсказана от наблюдения на движението на галактиките. Друго откритие на астрофизиците в края на ХХ век е изчисляването на ускоряващото се разширяване на Вселената.
Как се нарича разширяването на Вселената?
Някои хора са изненадани да чуят учените да говорят за разширяването на Вселената. Повечето хора свързват това име с икономиката и с негативните очаквания.
Инфлацията е процесът на разширяване на Вселената веднага след нейното появяване и с рязко ускорение. В превод от английски „инфлация“ означава „напомпване“, „надуване“.
Нови съмнения за съществуването на тъмна енергия като фактор в инфлационната теория на Вселената се използват от противниците на теорията за разширението.
Тогава учени предложиха карта на черните дупки. Първоначалните данни се различават от получените на по-късен етап:
- Шестдесет хиляди черни дупки с разстояние между най-отдалечените повече от единадесет милиона светлинни години - данни от преди четири години.
- Сто и осемдесет хиляди галактики с черни дупки на разстояние от тринадесет милиона светлинни години. Данните, получени от учени, включително руски ядрени физици, в началото на 2017 г.
Тази информация, твърдят астрофизиците, не противоречи на класическия модел на Вселената.
Скоростта на разширяване на Вселената е предизвикателство за космолозите
Скоростта на разширяване наистина е предизвикателство за космолозите и астрономите. Вярно е, че космолозите вече не твърдят, че скоростта на разширяване на Вселената няма постоянен параметър; несъответствията се преместиха в друга равнина - когато разширението започна да се ускорява. Данните за блуждаенето в спектъра на много далечни галактики тип I свръхнови доказват, че разширяването не е внезапен процес.
Учените смятат, че Вселената се е свила през първите пет милиарда години.
Първите последствия от Големия взрив първо провокираха мощно разширение, а след това започна компресия. Но тъмната енергия все пак е повлияла на растежа на Вселената. И то с ускорение.
Американски учени започнаха да създават карта на размера на Вселената за различни епохи, за да разберат кога е започнало ускорението. Наблюдавайки експлозиите на свръхнови, както и посоката на концентрация в древните галактики, космолозите забелязаха характеристики на ускорението.
Защо Вселената се "ускорява"
Първоначално се разбра, че стойностите на ускорението в картата не са линейни, а са превърнати в синусоида. Тя беше наречена „вълната на Вселената“.
Вълната на Вселената предполага, че ускорението не се е случило с постоянна скорост: то или се е забавило, или се е ускорило. И то няколко пъти. Учените смятат, че е имало седем такива процеса през 13,81 милиарда години след Големия взрив.
Все още обаче космолозите не могат да отговорят на въпроса от какво зависи ускорението-забавянето. Предположенията се свеждат до идеята, че енергийното поле, от което произлиза тъмната енергия, е подчинено на вълната на Вселената. И, преминавайки от една позиция в друга, Вселената или разширява своето ускорение, или го забавя.
Въпреки убедителността на аргументите, те все още остават теория. Астрофизиците се надяват, че информацията от орбиталния телескоп Планк ще потвърди съществуването на вълни във Вселената.
Кога е открита тъмната енергия?
За първи път хората започнаха да говорят за това през 90-те години заради експлозиите на свръхнови. Природата на тъмната енергия е неизвестна. Въпреки че Алберт Айнщайн идентифицира космическата константа в своята теория на относителността.
През 1916 г., преди сто години, Вселената все още се смяташе за неизменна. Но силата на гравитацията се намеси: космическите маси неизбежно биха се ударили една в друга, ако Вселената беше неподвижна. Айнщайн обявява гравитацията поради космическата отблъскваща сила.
Жорж Льометр ще оправдае това чрез физиката. Вакуумът съдържа енергия. Благодарение на своите вибрации, водещи до появата на частици и по-нататъшното им разрушаване, енергията придобива отблъскваща сила.
Когато Хъбъл доказа разширяването на Вселената, Айнщайн го нарече глупост.
Въздействие на тъмната енергия
Вселената се раздалечава с постоянна скорост. През 1998 г. на света бяха представени данни от анализ на експлозиите на свръхнова тип 1. Доказано е, че Вселената расте все по-бързо и по-бързо.
Това се случва поради неизвестно вещество, което е наречено „тъмна енергия“. Оказва се, че той заема почти 70% от пространството на Вселената. Същността, свойствата и природата на тъмната енергия не са проучени, но учените се опитват да разберат дали тя е съществувала в други галактики.
През 2016 г. те изчислиха точната скорост на разширяване за близкото бъдеще, но се появи несъответствие: Вселената се разширява с по-бърза скорост, отколкото астрофизиците предполагаха по-рано. Сред учените се разгоряха спорове за съществуването на тъмна енергия и нейното влияние върху скоростта на разширяване на границите на Вселената.
Разширяването на Вселената става без тъмна енергия
Учените представиха теорията, че разширяването на Вселената е независимо от тъмната енергия в началото на 2017 г. Те обясняват разширяването с промени в структурата на Вселената.
Учени от университетите в Будапеща и Хавайския университет стигнаха до извода, че несъответствието между изчисленията и действителната скорост на разширение е свързано с промени в свойствата на пространството. Никой не взе предвид какво се случва с модела на Вселената по време на разширяване.
След като се усъмниха в съществуването на тъмна енергия, учените обясняват: най-големите концентрации на материя във Вселената влияят на нейното разширяване. В този случай останалото съдържание се разпределя равномерно. Фактът обаче остава неразкрит.
За да демонстрират валидността на своите предположения, учените предложиха модел на мини-Вселената. Те го представиха под формата на набор от мехурчета и започнаха да изчисляват параметрите на растеж на всеки балон със собствена скорост, в зависимост от масата му.
Подобно моделиране на Вселената показа на учените, че тя може да се променя, без да се взема предвид енергията. Но ако „смесите“ тъмна енергия, моделът няма да се промени, казват учените.
Като цяло дебатът все още продължава. Привържениците на тъмната енергия казват, че тя влияе върху разширяването на границите на Вселената; противниците стоят на позицията си, като твърдят, че концентрацията на материя е важна.
Скоростта на разширяване на Вселената сега
Учените са убедени, че Вселената е започнала да расте след Големия взрив. Тогава, преди почти четиринадесет милиарда години, се оказа, че скоростта на разширяване на Вселената е по-голяма от скоростта на светлината. И продължава да расте.
В книгата „Най-кратката история на времето“ на Стивън Хокинг и Леонард Млодинов се отбелязва, че скоростта на разширяване на границите на Вселената не може да надвишава 10% на милиард години.
За да определи скоростта на разширяване на Вселената, през лятото на 2016 г. носителят на Нобелова награда Адам Рийс изчисли разстоянието до пулсиращи цефеиди в галактики, близки една до друга. Тези данни ни позволиха да изчислим скоростта. Оказа се, че галактиките на разстояние най-малко три милиона светлинни години могат да се отдалечават със скорост от почти 73 km/s.
Резултатът беше изненадващ: орбиталните телескопи, същият „Планк“, говориха за около 69 км/сек. Защо е регистрирана такава разлика, учените не могат да отговорят: те не знаят нищо за произхода на тъмната материя, на която се основава теорията за разширяването на Вселената.
Тъмна радиация
Друг фактор за „ускоряването“ на Вселената беше открит от астрономите с помощта на Хъбъл. Смята се, че тъмната радиация се е появила в самото начало на формирането на Вселената. Тогава в него имаше повече енергия, а не материя.
Тъмната радиация „помогна“ на тъмната енергия да разшири границите на Вселената. Несъответствията в определянето на скоростта на ускорение се дължат на неизвестната природа на това излъчване, смятат учените.
Бъдещата работа на Хъбъл трябва да направи наблюденията по-точни.
Мистериозна енергия може да унищожи вселената
Учените обмислят този сценарий от няколко десетилетия; данните от космическата обсерватория Планк показват, че това далеч не са само спекулации. Те са публикувани през 2013 г.
"Планк" измери "ехото" на Големия взрив, който се появи на възраст на Вселената около 380 хиляди години, температурата беше 2700 градуса. Освен това температурата се промени. „Планк“ също определи „състава“ на Вселената:
- почти 5% - звезди, космически прах, космически газ, галактики;
- почти 27% е масата на тъмната материя;
- около 70% е тъмна енергия.
Физикът Робърт Колдуел предположи, че тъмната енергия има силата да расте. И тази енергия ще раздели пространство-времето. Галактиката ще се отдалечи през следващите двадесет до петдесет милиарда години, смята ученият. Този процес ще се случи с увеличаване на разширяването на границите на Вселената. Това ще откъсне Млечния път от звездата и тя също ще се разпадне.
Космосът беше измерен на около шестдесет милиона години. Слънцето ще се превърне в умираща звезда джудже и планетите ще се отделят от него. Тогава Земята ще експлодира. В следващите тридесет минути космосът ще разкъса атоми. Крайният резултат ще бъде разрушаването на пространствено-времевата структура.
Къде лети Млечният път?
Ерусалимските астрономи са убедени, че Млечният път е достигнал максималната си скорост, която е по-висока от скоростта на разширяване на Вселената. Учените обясняват това с желанието на Млечния път за „Великия атрактор", който се смята за най-големият. Ето как Млечният път напуска космическата пустиня.
Учените използват различни методи за измерване на скоростта на разширяване на Вселената, така че няма единен резултат за този параметър.
МОСКВА, 26 януари - РИА Новости.Независима група учени потвърди, че Вселената наистина се разширява дори по-бързо сега, отколкото показаха изчисленията, базирани на наблюдения на „ехото“ от Големия взрив, според серия от пет статии, приети за публикуване в списанието Monthly Notices of Royal Астрономическо общество.
"Несъответствията в текущата скорост на разширяване на Вселената и това, което показват наблюденията на Големия взрив, са не само потвърдени, но и подсилени от нови данни за това как далечните галактики огъват светлината. Тези несъответствия може да са генерирани от "нова физика" отвъд Стандартен модел на космологията, по-специално някаква друга форма на тъмна енергия“, каза Фредерик Кубрин от École Polytechnique Federale в Лозана (Швейцария).
Тъмни раждания на Вселената
Още през 1929 г. известният астроном Едуин Хъбъл доказва, че нашата Вселена не стои неподвижна, а постепенно се разширява, наблюдавайки движението на далечни от нас галактики. В края на 20 век астрофизиците откриват, наблюдавайки свръхнови от първи тип, че тя се разширява не с постоянна скорост, а с ускорение. Причината за това, както смятат учените днес, е тъмната енергия - мистериозна субстанция, която действа върху материята като вид "антигравитация".
Миналия юни Нобеловият лауреат Адам Рейс и колегите му, които откриха феномена, изчислиха точната скорост на разширяване на Вселената днес, използвайки променливи звезди Цефеиди в близките галактики, разстоянието до които може да се изчисли със свръхвисока точност.
Това уточнение даде изключително неочакван резултат - оказа се, че две галактики, разделени от разстояние около 3 милиона светлинни години, се разнасят със скорост около 73 километра в секунда. Тази цифра е значително по-висока от данните, получени с помощта на орбиталните телескопи WMAP и Planck - 69 километра в секунда - и не може да бъде обяснена с помощта на съществуващите ни представи за природата на тъмната енергия и механизма на раждането на Вселената.
Рийс и колегите му предположиха, че има и трета „тъмна“ субстанция – „тъмна радиация“ (тъмна радиация), която я кара да се ускорява по-бързо от теоретичните прогнози в ранните дни на Вселената. Подобно твърдение не остана незабелязано и колаборацията H0LiCOW, която включва десетки астрономи от всички континенти на планетата, започна да тества тази хипотеза чрез наблюдение на квазари - активните ядра на далечни галактики.
Игра на космически свещи и лещи
Квазарите, благодарение на гигантската черна дупка в техния център, огъват структурата на пространство-времето по специален начин, усилвайки светлината, преминаваща през заобикалящата ги среда, подобно на гигантска леща.
Ако два квазара се поставят един до друг за наблюдатели на Земята, се получава интересно нещо - светлината на по-отдалечения квазар ще се раздели, докато преминава през гравитационната леща на първото галактическо ядро. Поради това ще видим не два, а пет квазара, четири от които ще бъдат светлинни „копия“ на по-отдалечен обект. Най-важното е, че всяко копие ще представлява „снимка“ на квазара в различни периоди от живота му поради различното време, необходимо на тяхната светлина да излезе от гравитационната леща.
Продължителността на това време, както обясняват учените, зависи от скоростта на разширяване на Вселената, което дава възможност да се изчисли чрез наблюдение на голям брой далечни квазари. Това направиха участниците в H0LiCOW, търсейки подобни „двойни“ квазари и наблюдавайки техните „копия“.
Общо Кубрин и колегите му откриха три такива квазарови „матрьошки“ и ги изследваха подробно с помощта на орбиталните телескопи Хъбъл и Спицър и редица наземни телескопи на Хавайските острови и Чили. Тези измервания, според изследователите, им позволиха да измерят константата на Хъбъл на „средното“ космологично разстояние с ниво на грешка от 3,8%, което е няколко пъти по-добро от получените преди това резултати.
Тези изчисления показаха, че Вселената се разширява със скорост от около 71,9 километра в секунда, което като цяло съответства на резултата, получен от Рийс и колегите му на „близки“ космологични разстояния, и говори в полза на съществуването на някакъв трети „тъмен“ вещество, което ускори Вселената в нейната младост. Друг вариант за обяснение на несъответствията с данните е, че Вселената всъщност не е плоска, а прилича на сфера или „акордеон“. Възможно е също количеството или свойствата на тъмната материя да са се променили през последните 13 милиарда години, причинявайки вселената да расте по-бързо.
Във всеки случай учените планират да изследват още около сто подобни квазари, за да проверят надеждността на получените данни и да разберат как може да се обясни такова необичайно поведение на Вселената, което не се вписва в стандартните космологични теории.
И така, къде всъщност се разширява Вселената? Да, до никъде. Няма килер, пълен с вещи. Но за да разберем това, нека да видим какво казва общата теория на относителността за пространство-времето.
В общата теория на относителността (както казват професионалистите) най-важното свойство на пространството (и времето) е разстоянието (и интервалът от време) между две точки. Всъщност разстоянието напълно определя пространството. Еволюцията на скалата на разстоянието се определя от количеството материя и енергия в пространството и с течение на времето мащабът се увеличава, както и разстоянието между галактиките. Обаче – и това е странното – това се случва без действителното движение на галактиките.
Може би в този момент интуицията ви се е провалила. Но това няма да ни попречи да разберем странностите.
Вече казахме, че галактиките се отдалечават от нас. Не точно. Просто за учените е по-лесно да обяснят какво наистина се случва. Те ви мамят.
„Но чакайте!“, ще кажат най-подкованите в научната област от вас. - „Ние измерваме Доплеровото изместване на далечни галактики.“ Това така наречено „червено изместване“, за което знаете, е регистрирано на Земята и подобно на сирената на минаваща линейка ни уведомява, че има движение. Но това не се случва в космологични мащаби. Просто откакто далечни галактики излъчват светлина и тя достига до нас, мащабът на космоса сериозно се е променил и нараснал. Тъй като пространството се разширява, дължината на вълната на фотоните също се увеличава, поради което светлината изглежда червена.
Този подход води до друг въпрос: „Наистина ли Вселената се разширява по-бързо от скоростта на светлината?“ Абсолютно вярно е, че повечето далечни галактики увеличават разстоянието си от нас по-бързо от скоростта на светлината, но какво от това? Те не се движат по-бързо от светлината (като цяло стоят неподвижни). Освен това знанието за това няма да ви помогне по никакъв начин: информацията не се предава. Ако изпратите пакет с храна до друга галактика със скорост по-висока от скоростта на светлината, това няма как да стане (и дори тук по принцип). Скоростта на светлината остава универсалният ограничител на скоростта.
Представихме най-разпространеното (или утвърдено в областта на релативистите) мнение относно космологичното разширение, но би било логично да завършим с факта, че изобщо не разбираме. Всичко по-горе работи чудесно, ако имате място да пристъпите напред и да се разтегнете. Но какво се случи в самото начало, което накара пространството да се образува буквално от нищото? Физиката няма отговор на този въпрос. И ще трябва да почакаме, докато се появи някой и хвърли светлина по този въпрос.
Дори астрономите не винаги разбират правилно разширяването на Вселената. Надуването на балон е стара, но добра аналогия за разширяването на Вселената. Галактиките, разположени на повърхността на топката, са неподвижни, но с разширяването на Вселената разстоянието между тях се увеличава, но размерът на самите галактики не се увеличава.
През юли 1965 г. учените обявиха откриването на ясни признаци за разширяване на Вселената от по-горещо и по-плътно първоначално състояние. Те откриха охлаждащото послесияние от Големия взрив - реликтово излъчване. От този момент нататък разширяването и охлаждането на Вселената формират основата на космологията. Космологичното разширяване ни позволява да разберем как са се формирали прости структури и как те постепенно са се развили в сложни. 75 години след откриването на разширяването на Вселената много учени не могат да проникнат в истинското му значение. Джеймс Пийбълс, космолог от Принстънския университет, който изучава космическото микровълново фоново лъчение, пише през 1993 г.: „Струва ми се, че дори експертите не знаят какво е значението и възможностите на горещия модел на Големия взрив.“
Известни физици, автори на учебници по астрономия и популяризатори на науката понякога дават неправилна или изкривена интерпретация на разширяването на Вселената, което е в основата на модела за Големия взрив. Какво имаме предвид, когато казваме, че Вселената се разширява? Определено е смущаващо, че сега се говори за ускоряване на разширяването, и това ни оставя в недоумение.
РЕВЮ: КОСМИЧЕСКО НЕДОРАЗУМЕНИЕ
* Разширяването на Вселената, една от основните концепции на съвременната наука, все още получава различни интерпретации.
* Терминът "Големият взрив" не трябва да се приема буквално. Той не беше бомба, избухнала в центъра на Вселената. Това беше експлозия на самото пространство, която се случи навсякъде, точно както повърхността на надут балон се разширява.
* Разбирането на разликата между разширяването на пространството и разширяването в космоса е от решаващо значение за разбирането на размера на Вселената, скоростта, с която галактиките се отдалечават, както и възможностите на астрономическите наблюдения и естеството на ускорението на разширяването, което Вселената е вероятно преживяване.
* Моделът на Големия взрив описва само какво се е случило след него.
Какво е разширение?
Когато нещо познато се разшири, като мокро петно или Римската империя, те стават по-големи, границите им се разширяват и започват да заемат повече място. Но Вселената изглежда няма физически граници и няма къде да се движи. Разширяването на нашата Вселена е много подобно на надуване на балон. Разстоянията до далечни галактики се увеличават. Обикновено астрономите казват, че галактиките се отдалечават или бягат от нас, но не се движат през пространството, като фрагменти от „бомбата от Големия взрив“. В действителност пространството между нас и галактиките, движещи се хаотично в практически неподвижни клъстери, се разширява. CMB изпълва Вселената и служи като референтна рамка, подобно на гумената повърхност на балон, спрямо която може да се измерва движението.
Извън топката виждаме, че разширяването на нейната извита двуизмерна повърхност е възможно само защото е в триизмерно пространство. В третото измерение се намира центърът на топката, а повърхността й се разширява в обема около нея. Въз основа на това може да се заключи, че разширяването на нашия триизмерен свят изисква наличието на четвърто измерение в пространството. Но според общата теория на относителността на Айнщайн пространството е динамично: то може да се разширява, свива и огъва.
Задръстване
Вселената е самодостатъчна. Нито се изисква център за разширяване от него, нито свободно пространство отвън (където и да е), за да се разширява там. Вярно е, че някои по-нови теории, като теорията на струните, постулират наличието на допълнителни измерения, но те не са необходими, тъй като нашата триизмерна Вселена се разширява.
В нашата Вселена, както на повърхността на балон, всеки обект се отдалечава от всички останали. По този начин Големият взрив не е експлозия в космоса, а по-скоро експлозия на самото пространство, която не се е случила на конкретно място и след това се е разширила в заобикалящата празнота. Това се случи навсякъде по едно и също време.
КАК БЕШЕ ГОЛЕМИЯТ ВЗРИВ?
ГРЕШНО: Вселената е родена, когато материята, подобно на бомба, избухна на определено място. Налягането беше високо в центъра и ниско в заобикалящата кухина, което накара веществото да се разпръсне.
ДЯСНО: Това беше експлозия на самото пространство, което задвижи материята. Нашето пространство и време възникват в Големия взрив и започват да се разширяват. Никъде нямаше център, защото... условията бяха еднакви навсякъде, нямаше спад на налягането, характерен за конвенционален взрив.
Ако си представим, че пускаме филма в обратен ред, ще видим как всички региони на Вселената се компресират и галактиките се приближават една до друга, докато всички се сблъскат заедно в Големия взрив, като коли в задръстване. Но сравнението тук не е пълно. Ако е имало инцидент, можете да заобиколите задръстването, след като сте чули съобщения за него по радиото. Но Големият взрив беше катастрофа, която не можеше да бъде избегната. Сякаш повърхността на Земята и всички пътища по нея бяха смачкани, но колите останаха със същия размер. В крайна сметка колите щяха да се сблъскат и никакво радиосъобщение не можеше да го предотврати. Такъв е и Големият взрив: случи се навсякъде, за разлика от експлозията на бомба, която се случва в определен момент и фрагментите летят във всички посоки.
Теорията за Големия взрив не ни казва размера на Вселената или дори дали е крайна или безкрайна. Теорията на относителността описва как се разширява всяка област от пространството, но не казва нищо за размера или формата. Космолозите понякога твърдят, че Вселената някога е била не по-голяма от грейпфрут, но те имат предвид само тази част от нея, която сега можем да наблюдаваме.
Обитателите на мъглявината Андромеда или други галактики имат свои собствени наблюдаеми вселени. Наблюдателите в Андромеда могат да видят галактики, които са недостъпни за нас, просто защото са малко по-близо до тях; но те не могат да съзерцават тези, които ние разглеждаме. Тяхната видима вселена също беше с размерите на грейпфрут. Човек може да си представи, че ранната Вселена е била като купчина от тези плодове, простираща се безкрайно във всички посоки. Това означава, че идеята, че Големият взрив е бил „малък“, е погрешна. Пространството на Вселената е неограничено. И както и да го стискаш, така ще си остане.
По-бързо от светлината
Погрешните схващания могат да бъдат свързани и с количествено описание на разширяването. Скоростта, с която се увеличават разстоянията между галактиките, следва прост модел, открит от американския астроном Едуин Хъбъл през 1929 г.: скоростта, с която една галактика се отдалечава, v, е право пропорционална на нейното разстояние d от нас, или v = Hd. Коефициентът на пропорционалност H се нарича константа на Хъбъл и определя скоростта на разширяване на пространството както около нас, така и около всеки наблюдател във Вселената.
Това, което е объркващо за някои е, че не всички галактики се подчиняват на закона на Хъбъл. Най-близката голяма галактика до нас (Андромеда) обикновено се движи към нас, а не встрани от нас. Такива изключения възникват, защото законът на Хъбъл описва само средното поведение на галактиките. Но всяка от тях може също така да има леко собствено движение, тъй като галактиките упражняват гравитационно влияние една върху друга, като нашата Галактика и Андромеда. Далечните галактики също имат малки хаотични скорости, но на голямо разстояние от нас (при голяма стойност на d) тези произволни скорости са незначителни на фона на големите скорости на отдалечаване (v). Следователно за далечни галактики законът на Хъбъл е изпълнен с висока точност.
Според закона на Хъбъл Вселената не се разширява с постоянна скорост. Някои галактики се отдалечават от нас със скорост 1 хил. km/s, други, разположени два пъти по-далеч, със скорост 2 хил. km/s и т.н. Така законът на Хъбъл показва, че започвайки от определено разстояние, наречено разстояние на Хъбъл, галактиките се отдалечават със свръхсветлинни скорости. За измерената стойност на константата на Хъбъл това разстояние е около 14 милиарда светлинни години.
Но не казва ли специалната теория на относителността на Айнщайн, че никой обект не може да пътува по-бързо от скоростта на светлината? Този въпрос е озадачавал много поколения студенти. И отговорът е, че специалната теория на относителността е приложима само за "нормални" скорости - за движение в пространството. Законът на Хъбъл се отнася до скоростта на рецесия, причинена от разширяването на самото пространство, а не от движението в пространството. Този ефект на общата теория на относителността не е предмет на специалната теория на относителността. Наличието на скорост на отдалечаване, по-висока от скоростта на светлината, по никакъв начин не нарушава специалната теория на относителността. Все още е вярно, че никой не може да настигне лъча светлина.
МОГАТ ЛИ ГАЛАКТИКИТЕ ДА СЕ ПРЕМЕСТВАТ СЪС СКОРОСТ, ПО-БЪРЗА ОТ СКОРОСТТА НА СВЕТЛИНАТА?
ГРЕШНО: Частичната теория на относителността на Айнщайн забранява това. Помислете за област от пространството, съдържаща няколко галактики. Поради разширяването си, галактиките се отдалечават от нас. Колкото по-далеч е галактиката, толкова по-голяма е нейната скорост (червени стрелки). Ако скоростта на светлината е границата, тогава скоростта на отстраняване трябва в крайна сметка да стане постоянна.
ДЯСНО: Разбира се, че могат. Частичната теория на относителността не взема предвид скоростта на отстраняване. Скоростта на отстраняване нараства безкрайно с разстоянието. Отвъд определено разстояние, наречено разстояние на Хъбъл, то надвишава скоростта на светлината. Това не е нарушение на теорията на относителността, тъй като премахването не е причинено от движение в пространството, а от разширяването на самото пространство.
ВЪЗМОЖНО ЛИ Е ДА ВИДИМ ГАЛАКТИКИ ДА ВЪРВЯТ ПО-БЪРЗО ОТ СВЕТЛИНАТА?
ГРЕШНО: Разбира се, че не. Светлината от такива галактики отлита с тях. Нека галактиката е извън разстоянието на Хъбъл (сфера), т.е. се отдалечава от нас по-бързо от скоростта на светлината. Излъчва фотон (маркиран в жълто). Докато фотонът лети през пространството, самото пространство се разширява. Разстоянието до Земята се увеличава по-бързо от движението на фотона. Никога няма да ни стигне.
ДЯСНО: Разбира се, че можете, тъй като скоростта на разширяване се променя с времето. Първо, фотонът всъщност се отнася от разширяването. Разстоянието на Хъбъл обаче не е постоянно: то се увеличава и в крайна сметка фотонът може да влезе в сферата на Хъбъл. След като това се случи, фотонът ще се движи по-бързо, отколкото Земята се отдалечава, и ще може да ни достигне.
Фотонно разтягане
Първите наблюдения, показващи, че Вселената се разширява, са направени между 1910 и 1930 г. В лабораторията атомите излъчват и поглъщат светлина, винаги при определени дължини на вълната. Същото се наблюдава и в спектрите на далечни галактики, но с изместване към по-дълги вълни. Астрономите казват, че радиацията на галактиката е с червено изместване. Обяснението е просто: когато пространството се разширява, светлинната вълна се разтяга и следователно отслабва. Ако за времето, когато светлинната вълна достигне до нас, Вселената се разшири два пъти, тогава дължината на вълната се удвои, а енергията й отслабна наполовина.
ХИПОТЕЗА ЗА УМОРАТА
Всеки път, когато Scientific American публикува статия за космологията, много читатели ни пишат, че смятат, че галактиките всъщност не се отдалечават от нас и че разширяването на космоса е илюзия. Те вярват, че червеното отместване в спектрите на галактиките е причинено от нещо като "умора" от дълго пътуване. Някакъв неизвестен процес кара светлината, докато пътува през пространството, да губи енергия и следователно да става червена.
Тази хипотеза е на повече от половин век и на пръв поглед изглежда разумна. Но това е напълно несъвместимо с наблюденията. Например, когато една звезда избухне като свръхнова, тя пламва и след това потъмнява. Целият процес отнема около две седмици за свръхнови от типа, който астрономите използват за определяне на разстоянията до галактиките. През този период от време свръхновата излъчва поток от фотони. Хипотезата за светлинна умора казва, че фотоните ще загубят енергия по пътя си, но наблюдателят все пак ще получи поток от фотони с продължителност две седмици.
Въпреки това, при разширяване на пространството не само самите фотони се разтягат (и следователно губят енергия), но и техният поток също се разтяга. Следователно са необходими повече от две седмици, докато всички фотони достигнат Земята. Наблюденията потвърждават този ефект. Експлозия на свръхнова в галактика с червено отместване 0,5 се наблюдава три седмици, а в галактика с червено отместване 1 - месец.
Хипотезата за светлинната умора също противоречи на наблюденията на спектъра на космическото микровълново фоново лъчение и измерванията на яркостта на повърхността на далечни галактики. Време е да пенсионираме „уморената светлина“ (Чарлз Лайнуивър и Тамара Дейвис).
Суперновите, като тази в галактическия клъстер Дева, помагат за измерване на космическото разширение. Техните наблюдавани свойства изключват алтернативни космологични теории, в които пространството не се разширява.
Процесът може да бъде описан по отношение на температурата. Фотоните, излъчвани от тялото, имат енергийно разпределение, което обикновено се характеризира с температура, която показва колко горещо е тялото. Докато фотоните се движат през разширяващото се пространство, те губят енергия и температурата им намалява. По този начин, докато Вселената се разширява, тя се охлажда, като сгъстен въздух, излизащ от резервоара на водолаз. Например, космическото микровълново фоново лъчение сега има температура от около 3 K, докато се е родило при температура от около 3000 K. Но оттогава насам Вселената се е увеличила по размер 1000 пъти и температурата на фотоните е намаля със същата сума. Наблюдавайки газ в далечни галактики, астрономите директно измерват температурата на това лъчение в далечното минало. Измерванията потвърждават, че Вселената се охлажда с времето.
Има и някои противоречия по отношение на връзката между червеното отместване и скоростта. Червеното отместване, причинено от разширяването, често се бърка с по-познатото червено отместване, причинено от ефекта на Доплер, което обикновено прави звуковите вълни по-дълги, ако източникът на звук се отдалечи. Същото важи и за светлинните вълни, които стават по-дълги, когато източникът на светлина се отдалечава в пространството.
Доплеровото червено отместване и космологичното червено отместване са напълно различни неща и се описват с различни формули. Първото следва от специалната теория на относителността, която не отчита разширяването на пространството, а второто следва от общата теория на относителността. Тези две формули са почти еднакви за близките галактики, но различни за далечните.
Според формулата на Доплер, ако скоростта на обект в космоса се доближава до скоростта на светлината, тогава неговото червено отместване клони към безкрайност и дължината на вълната става твърде дълга и следователно ненаблюдаема. Ако това беше вярно за галактиките, тогава най-отдалечените видими обекти в небето щяха да се отдалечават със скорост, значително по-малка от скоростта на светлината. Но космологичната формула за червеното отместване води до различно заключение. В стандартния космологичен модел галактиките с червено отместване около 1,5 (т.е. предполагаемата дължина на вълната на тяхното излъчване е 50% по-голяма от лабораторната стойност) се отдалечават със скоростта на светлината. Астрономите вече са открили около 1000 галактики с червено отместване по-голямо от 1,5. Това означава, че познаваме около 1000 обекта, които се отдалечават по-бързо от скоростта на светлината. CMB идва от още по-голямо разстояние и има червено отместване от около 1000. Когато горещата плазма на младата Вселена излъчи радиацията, която получаваме днес, тя се отдалечаваше от нас почти 50 пъти по-бързо от скоростта на светлината.
Бягане на място
Трудно е да се повярва, че можем да видим галактики, движещи се по-бързо от скоростта на светлината, но това е възможно поради промените в скоростта на разширяване. Представете си лъч светлина, идващ към нас от разстояние, по-голямо от разстоянието на Хъбъл (14 милиарда светлинни години). Той се движи към нас със скоростта на светлината спрямо местоположението си, но самият той се отдалечава от нас по-бързо от скоростта на светлината. Въпреки че светлината се втурва към нас възможно най-бързо, тя не може да се справи с разширяването на пространството. Това е като дете, което се опитва да тича назад по ескалатор. Фотоните на разстоянието на Хъбъл пътуват възможно най-бързо, за да останат на едно и също място.
Може би си мислите, че светлината от региони, по-далечни от разстоянието на Хъбъл, никога не би могла да достигне до нас и никога няма да я видим. Но разстоянието на Хъбъл не остава постоянно, тъй като константата на Хъбъл, от която зависи, се променя с времето. Тази стойност е пропорционална на скоростта, с която две галактики се отдалечават, разделена на разстоянието между тях. (Всички две галактики могат да се използват за изчислението.) В модели на Вселената, които са в съответствие с астрономическите наблюдения, знаменателят нараства по-бързо от числителя, така че константата на Хъбъл намалява. Следователно разстоянието на Хъбъл се увеличава. Ако е така, светлината, която първоначално не е достигнала до нас, в крайна сметка може да дойде в рамките на разстоянието на Хъбъл. Тогава фотоните ще попаднат в област, отдалечаваща се по-бавно от скоростта на светлината, след което ще могат да достигнат до нас.
КОСМИЧЕСКОТО ЧЕРВЕНО ИЗМЕСТВАНЕ НАИСТИНА ЛИ Е ДОПЛЕРОВО ИЗМЕСТВАНЕ?
ГРЕШНО: Да, защото отдалечаващите се галактики се движат през космоса. При ефекта на Доплер светлинните вълни се разтягат (стават по-червени), докато източникът им се отдалечава от наблюдателя. Дължината на вълната на светлината не се променя, докато пътува през пространството. Наблюдателят получава светлината, измерва нейното червено отместване и изчислява скоростта на галактиката.
ДЯСНО: Не, червеното отместване няма нищо общо с ефекта на Доплер. Галактиката е почти неподвижна в пространството, така че излъчва светлина с еднаква дължина на вълната във всички посоки. По време на пътуването дължината на вълната става по-дълга с разширяването на пространството. Поради това светлината постепенно става червена. Наблюдателят получава светлината, измерва нейното червено отместване и изчислява скоростта на галактиката. Космическото червено отместване е различно от Доплеровото изместване, както се потвърждава от наблюденията.
Въпреки това, галактиката, която е изпратила светлината, може да продължи да се отдалечава със свръхсветлинна скорост. Така можем да наблюдаваме светлина от галактики, които, както и преди, винаги ще се отдалечават по-бързо от скоростта на светлината. Накратко, разстоянието на Хъбъл не е фиксирано и не ни показва границите на наблюдаваната Вселена.
Какво всъщност маркира границата на видимото пространство? Тук също има известно объркване. Ако пространството не се беше разширило, тогава вече можехме да наблюдаваме най-отдалечения обект на разстояние около 14 милиарда светлинни години от нас, т.е. разстоянието, което светлината е изминала за 14 милиарда години след Големия взрив. Но тъй като Вселената се разширява, пространството, пресичано от фотона, се разширява по време на неговото пътуване. Следователно текущото разстояние до най-отдалечения наблюдаем обект е приблизително три пъти по-голямо - около 46 милиарда светлинни години.
Космолозите смятаха, че живеем в забавяща се Вселена и следователно можем да наблюдаваме все повече и повече галактики. Но в ускоряващата се Вселена ние сме оградени от граница, извън която никога няма да видим случващи се събития - това е космическият хоризонт на събитията. Ако светлината от галактики, които се отдалечават по-бързо от скоростта на светлината, достига до нас, тогава разстоянието на Хъбъл ще се увеличи. Но в ускоряващата се Вселена нарастването му е забранено. Далечно събитие може да изпрати лъч светлина в нашата посока, но тази светлина завинаги ще остане извън ограничението на разстоянието на Хъбъл поради ускоряването на разширяването.
Както виждаме, ускоряващата се Вселена прилича на черна дупка, която също има хоризонт на събитията, извън който не получаваме сигнали. Текущото разстояние до нашия хоризонт на космическите събития (16 милиарда светлинни години) е изцяло в рамките на нашия наблюдаем регион. Светлината, излъчвана от галактики, които сега са по-далеч от космическия хоризонт на събитията, никога няма да може да достигне до нас, т.к. разстоянието, което в момента съответства на 16 милиарда светлинни години, ще се разшири твърде бързо. Ще можем да видим събитията, случили се в галактиките, преди да прекосят хоризонта, но никога няма да разберем за последващи събития.
Всичко ли се разширява във Вселената?
Хората често си мислят, че ако пространството се разширява, тогава всичко в него също се разширява. Но това не е вярно. Разширяването като такова (т.е. по инерция, без ускорение или забавяне) не произвежда никаква сила. Дължината на вълната на фотона се увеличава с растежа на Вселената, тъй като, за разлика от атомите и планетите, фотоните не са свързани обекти, чиито размери се определят от баланса на силите. Променящата се скорост на разширяване въвежда нова сила в равновесие, но не може да накара обектите да се разширяват или свиват.
Например, ако гравитацията стане по-силна, гръбначният ви мозък ще се свие, докато електроните в гръбнака ви достигнат ново равновесно положение, малко по-близо един до друг. Височината ви ще намалее леко, но компресията ще спре дотук. По същия начин, ако живеехме във Вселена с преобладаване на гравитационните сили, както повечето космолози вярваха преди няколко години, тогава разширяването ще се забави и всички тела ще бъдат подложени на слабо компресиране, принуждавайки ги да достигнат по-малко равновесие размер. Но след като го достигнаха, те вече нямаше да се свиват.
КОЛКО НАЙ-ГОЛЯМА Е НАБЛЮДАЕМАТА ВСЕЛЕНА?
ГРЕШНО: Вселената е на 14 милиарда години, така че видимата част от нея трябва да има радиус от 14 милиарда светлинни години.Помислете за най-отдалечената от наблюдаваните галактики - тази, чиито фотони, излъчени веднага след Големия взрив, са достигнали едва сега нас. Светлинна година е разстоянието, изминато от фотон за една година. Това означава, че фотонът е изминал 14 милиарда светлинни години
ДЯСНО: Тъй като пространството се разширява, наблюдаваният регион има радиус, по-голям от 14 милиарда светлинни години. Докато фотонът пътува, пространството, което пресича, се разширява. Докато стигне до нас, разстоянието до галактиката, която го е излъчила, става по-голямо от просто изчисленото от времето на полета - приблизително три пъти по-голямо
Всъщност разширяването се ускорява, което се дължи на слаба сила, която „надува“ всички тела. Следователно свързаните обекти са малко по-големи по размер, отколкото биха били в неускоряваща се Вселена, тъй като достигат равновесие при малко по-голям размер. На повърхността на Земята ускорението, насочено навън, далеч от центъра на планетата, е малка част ($10^(-30)$) от нормалното гравитационно ускорение към центъра. Ако това ускорение е постоянно, то няма да доведе до разширяване на Земята. Просто планетата придобива малко по-голям размер, отколкото би била без силата на отблъскване.
Но всичко ще се промени, ако ускорението не е постоянно, както смятат някои космолози. Ако отблъскването се увеличи, това в крайна сметка може да причини колапс на всички структури и да доведе до „Голямо разкъсване“, което няма да се случи поради разширяване или ускорение само по себе си, а защото ускорението ще се ускори.
ОБЕКТИТЕ ВЪВ ВСЕЛЕНАТА СЪЩО ЛИ СЕ РАЗШИРЯВАТ?
ГРЕШНО: Да. Разширяването кара Вселената и всичко в нея да става все по-голямо. Нека разгледаме галактическия куп като обект. С увеличаването на Вселената се увеличава и клъстерът. Границата на клъстера (жълта линия) се разширява.
ДЯСНО: Не. Вселената се разширява, но свързаните обекти в нея не го правят. Съседните галактики първоначално се отдалечават, но в крайна сметка тяхното взаимно привличане надделява над разширяването. Формира се клъстер с размер, който съответства на неговото равновесно състояние.
Тъй като новите прецизни измервания помагат на космолозите да разберат по-добре разширяването и ускорението, те може да са в състояние да задават още по-фундаментални въпроси за най-ранните моменти и най-големите мащаби на Вселената. Какво причини разширяването? Много космолози смятат, че причината е процес, наречен инфлация, специален тип ускоряващо се разширяване. Но може би това е само частичен отговор: за да започне, изглежда Вселената вече трябва да се е разширявала. Какво ще кажете за най-големите мащаби извън границите на нашите наблюдения? Дали различните части на Вселената се разширяват по различен начин, така че нашата Вселена да е просто скромен инфлационен балон в гигантска свръхвселена? Никой не знае. Но се надяваме, че с времето ще успеем да разберем процеса на разширяване на Вселената.
ЗА АВТОРИТЕ:
Чарлз Х. Лайнуивър и Тамара М. Дейвис са астрономи в австралийската обсерватория Маунт Стромло. В началото на 1990г. в Калифорнийския университет в Бъркли, Лайнуивър беше част от екип от учени, които откриха флуктуации в космическото микровълново фоново лъчение с помощта на сателита COBE. Защитава дисертация не само по астрофизика, но и по история и английска литература. Дейвис работи върху космическа обсерватория, наречена Supernova/Acceleration Probe.
БЕЛЕЖКИ КЪМ СТАТИЯТА „ПАРАДОКСИТЕ НА ГОЛЕМИЯ ВЗРИВ“
Професор Анатолий Владимирович Засов, физика. Факултет на Московския държавен университет: Всички недоразумения, с които спорят авторите на статията, са свързани с факта, че за по-голяма яснота те най-често разглеждат разширяването на ограничен обем на Вселената в твърда референтна система (и разширяването на достатъчно малък регион, за да не се вземе предвид разликата в хода на времето на Земята и в далечните галактики в земната референтна система). Оттук и идеята за експлозия, доплерово изместване и широко разпространено объркване със скоростите на движение. Авторите пишат, и пишат правилно, как изглежда всичко в неинерциална (съпътстваща) координатна система, в която обикновено работят космолозите, въпреки че статията не го казва директно (по принцип всички разстояния и скорости зависят от избора на референтна система, а тук винаги има някакъв произвол). Единственото нещо, което не е написано ясно е, че не е дефинирано какво се разбира под разстояние в разширяващата се Вселена. Първо, авторите я имат като скоростта на светлината, умножена по времето на разпространение, а след това казват, че е необходимо да се вземе предвид и разширяването, което е отдалечило галактиката още повече, докато светлината е била на път. По този начин разстоянието вече се разбира като скоростта на светлината, умножена по времето на разпространение, което би било необходимо, ако галактиката спре да се отдалечава и сега излъчва светлина. В действителност всичко е по-сложно. Разстоянието е зависимо от модела количество и не може да бъде получено директно от наблюдения, така че космолозите се справят добре и без него, като го заменят с червено отместване. Но може би по-строг подход тук е неподходящ.
