Что такое вселенная и из чего она состоит?

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.

Будущее Вселенной

Наше мироздание началось с маленькой точки. Быстрое развитие и расширение границ привело к образованию необъятных космических просторов. Но, будет ли остановлено расширение? Возможен ли обратный вариант развития, то есть сжатия в ту же исходную плотную точку?

В 1990-х годах, специалисты пришли к выводу, что реальны два варианта будущего Вселенной.

“Сжатие” космических просторов возможно! При достижении максимальных размеров, она может разрушиться. Плотность черной материи может достичь критических показателей, из-за чего будет сжиматься.

Также, существует предположение, что причиной разрушения мироздания могут стать черные дыры. Все звездные скопления могут прекратить передачу энергии и преобразоваться в черные дыры. Если температура космического пространства приблизиться к нулю, возможно их испарение. В результате чего, все разрушиться и наступит логичный конец.

Мир – это энергия

Старые взгляды уже не работают и это понимают и сами ученые, которые во многом достигли «потолка» и потихоньку начинают обращаться и в сторону расширения границ науки, рассматривая и изучая явления, которые раньше казались и вовсе антинаучными. Более того, периодически случаются прорывы, которые доказывают, что мир совсем иной и только с помощью материальных величин его не познать. Модель атома из школьной программы уже устарела, на ее место пришла квантовая реальность. Специалисты по квантовой физике доказали, что он состоит 99,999999999999% из пустого пространства, из энергии, а не из материи. То есть атомы содержат ничтожно малое количество материального вещества, более того, эта материя ведет себя хаотично и непредсказуемо, абсолютно игнорируя пределы пространства и времени и не соблюдая законы Ньютона – она то появляется, то исчезает. А все остальное пространство атома является невидимым взаимосвязанным полем информации. 

Исходя из этого, родилось удивительное и перевернувшее научный мир понимание, что вся Вселенная состоит из чистой энергии, какой бы плотной она ни казалась! То есть наш мир – это энергия! И с этим уже не поспоришь – это вывод ученых, а не магов и чародеев. В квантовой физике вообще не существует никаких определенных материальных объектов. Материя существует как некий феномен – как возможность или вероятность. А человечество при этом всеми силами пытается ухватиться именно за материальное, по-прежнему упрямо твердя, что остальное – эфемерно и «сказочно».

Внутреннее устройство

Несмотря на всю необъятность, строение Вселенной представляется достаточно простым. Она однородна по плотности, изменяется во времени по строго определённым законам, поэтому однозначно постоянной считаться не может.

Вселенная многолика. Она включает в себя множество разнообразных компонентов, проявляющихся в разных формах. Самыми крупными структурами в ней считаются галактические нити, совместно с космическими пустотами, формирующие «стены».

В них группируются галактики Вселенной. Они представлены в огромном количестве порядка двух триллионов. Человечество проживает в Млечном пути, который расположен в стене, называемой комплексом сверхскоплений Рыб-Кита. Другие звёздные системы расположены чрезвычайно далеко от этой галактики. Тем не менее несколько из них можно рассмотреть невооружённым глазом. Они носят следующие названия:

• Туманность Андромеды ближе всех расположена к Млечному пути и содержит звёзд в несколько раз больше, чем в нём. Её можно увидеть на небе, если находиться на северном полушарии Земли.
• Магеллановы Облака — две своеобразные галактики-спутники Млечного пути. Они просматриваются в южном полушарии.
• Галактика Треугольника меньше Млечного Пути и по массе, и по диаметру. Так же, как и Туманность Андромеды, видна на северном полушарии.

Темная материя

Еще одним доказательством в копилку теории Мультивселенной добавляет новое, крайне интересное исследование. Его результаты, как пишет Vice, предполагают, что черные дыры, образованные из свернутых вселенных, порождают темную материю, а наша собственная Вселенная может выглядеть как черная дыра для посторонних.

Одни из самых таинственных объектов во Вселенной, черные дыры, могут являться источником темной материи.

Отмечу, что темная материя – невидимая субстанция, на долю которой приходится большая часть массы Вселенной – хотя и не излучает обнаруживаемый свет, все же существует, так как оказывает гравитационное воздействие на скопления галактик и другие излучающие объекты в космосе.

Для объяснения темной материи был предложен ошеломляющий спектр гипотез, но теперь ученые предположили, что первичные черные дыры – гипотетические объекты, которые относятся к периоду зарождения Вселенной, «являются жизнеспособным кандидатом на темную материю». К такому выводу пришла международная команда исследователей из США, Японии и Тайваня, в работе, опубликованной в научном журнале Physical Review Letters в январе этого года.

И все же, на данный момент все эти концепции являются умозрительными, хотя физики ожидают, что новые способы наблюдения с помощью сложных телескопов в ближайшие годы помогут ответить на многие вопросы.

С чего началось мироздание?

Сегодня трудно в это поверить, но огромное космическое пространство 14 млрд лет было всего лишь точкой. Небольшой шар состоял из плотного и горячего протовещества.
В один момент, эта “точка” взорвалась и мельчайшие элементы разлетелись. Эта гипотеза происхождения Вселенной называется Теорией Большого Взрыва. Это наиболее логичное предположение, из-за чего является основным.

Все частицы, которые были образованы в результате взрыва, удалились от эпицентра происшедшего и со временем начали взаимодействовать между собой. С рассеянной материи сформировались сгустки, которые впоследствии преобразовались в звезды.
Под воздействием центробежных и гравитационных сил были образованы галактики.

Процесс расширения Вселенной и формирование новых “уплотнений” происходит ежесекундно. Именно поэтому, ученым трудно указать границы мироздания.

Как сравнить размеры объектов Солнечной системы?

Перед тем как вы попытаетесь представить себе масштабы Вселенной, стоит разобраться с Солнцем и планетами. Ведь их тоже бывает сложно соотнести друг с другом. Чаще всего условный размер огненной звезды отождествляют с бильярдным шаром, диаметр которого равен 7 см. Стоит отметить, что в реальности он достигает около 1400 тыс. км. В таком «игрушечном» макете первая планета от Солнца (Меркурий) оказывается на расстоянии 2 метров 80 сантиметров. При этом шарик Земли будет иметь в диаметре всего половину миллиметра. Он расположен от звезды на расстоянии 7,6 метра. Расстояние до Юпитера в этом масштабе будет равно 40 м, а до Плутона — 300.

Если говорить об объектах, которые находятся за пределами Солнечной системы, то самая близкая звезда — Проксима Центавра. Она будет удалена так сильно, что это упрощение оказывается слишком маленьким. И это при том, что она находится в пределах Галактики. Что же говорить про масштабы Вселенной. Как видим, она фактически безгранична. Всегда хочется узнать, как соотносятся Земля и Вселенная. И после получения ответа не верится в то, что наша планета и даже Галактика — ничтожная часть огромного мира.

Наблюдение за удаленными объектами

Буущий телескоп James Webb

Число звезд, наполняющих космос, особенно трудно вообразить. Его диаметр, экспериментально определенный учеными, должен достигать 93 млрд. св. лет. А подсчитанное значение промежутка до самого дальнего объекта, замеченного современной техникой, составило около 14 млрд. св. лет. Такие масштабы и колоссальные дистанции прослеживаются по всем известным направлениям. Между нашей системой и самой удаленной галактикой насчитывается 13,2 млрд. св. лет. Существование сверхдальнего объекта определено только в инфракрасном диапазоне. Достигающее нас его излучение приносит сведения о галактике с огромным опозданием, поэтому мы наблюдаем ее такой, какой она была миллиарды лет назад.

Для изучения столь отдаленных объектов требуется уникальное оборудование – сверхмощные телескопы типа «Хаббл». Ресурсы этих приборов возрастают с каждым годом: так, телескоп «Джеймс Уэбб», который планируется запустить в 2018 году, сможет заглянуть в космические глубины намного дальше. За пределами доступной для наблюдения Вселенной предполагается наличие гипотетических внеметагалактических объектов. Считается, что их развитие не затронуто процессом Большого взрыва, они относятся к Мультивселенной.

Интересное о Вселенной

Загадочные Чёрные дыры являются одним из самых интересных и малоизученных объектов Вселенной. Они обладают настолько огромным притяжением, что покинуть пределы Чёрный дыры ничто не может, даже свет.

Не менее интересными являются Квазары — невероятно яркие объекты (намного превосходят по яркости Солнце, да и вообще весь «Млечный путь»).

1 а.е. (астрономическая единица) — среднее расстояние между Землёй и Солнцем.

Невесомость, характерная для космоса, очень плохо влияет на здоровье человека. Самыми яркими явлениями в организме человека в невесомости являются потеря кальция костями, перемещение жидкостей вверх и ухудшение работы кишечника. Ну а по возвращении из космоса почти все люди страдают от головных болей и приступов тошноты («космическая болезнь»).

Солнечная активность также оказывает вредное влияние на нашу планету (хотя полезного во сто крат больше). Солнечный ветер, испускаемый центральной звездой, устремляется к планетам и является причиной возникновения геомагнитных бурь.

Температура планет в чём-то зависит от их альбедо — отражательной способности. Чем она выше, тем слабее солнечные лучи согревают поверхность планеты.

Листовая и ячеистая структура Вселенной

Вопрос о крупномасштабной структуре Вселенной — один из самых сложных в космологии и астрофизике. Многое здесь пока неясно, существует множество теорий, часто противоположных одна другой.

По самым современным представлениям, Вселенная представляет собой совокупность довольно плоских «листов», разделенных областями, в которых практически нет светящейся материи. Эти области (их называют войдами — от английского слова voids — «пустоты») имеют размер порядка 500 млн световых лет.

Первым «листом», который удалось обнаружить астрономам, стала так называемая Великая Стена, находящаяся в 200 млн световых лет от нас.

Это видимая «сверху» блиноподобная структура из галактик, располагающаяся на расстоянии примерно 200 млн световых лет от нас и имеющая 300 млн световых лет в ширину и 15 млн световых лет «в толщину». Этот «суперобъект» был открыт совсем недавно — в 1989 г.

До сих пор полностью не известны его истинные размеры, так как облака пыли и газа Млечного Пути закрывают от нас часть Великой стены.

Астрономы считают, что такие структуры, как Великая стена, представляют собой смесь «темной» и нормальной материи, причем именно «темная материя» определяет структуру Вселенной на самых больших масштабах.

Еще один грандиозный «лист» — Великая Стена Слоуна. Это огромная группа галактик, расположенная на расстоянии 1 млрд световых лет от Земли и простирающаяся на 1,37 млрд световых лет. Великая Стена Слоуна почти в три раза больше Великой стены, которая до начала 21 в. считалась рекордсменом по протяженности.

Практически весь свет во Вселенной сосредоточен в «узлах» и «волокнах» ее ячеистой структуры. В узлах располагаются сверхскопления галактик, а в войдах на первый взгляд пусто.

Однако компьютерное моделирование показало, что каждый войд похож на Вселенную в миниатюре — его наполняет «темная материя», которая образует такую же структуру с волокнами и войдами.

Кроме того, там блуждает немало карликовых тусклых галактик, которые мы просто не видим, и газовых облаков, которые так и не превратились в галактики.

Ячеистая структура видимой Вселенной возникла во времена, непосредственно следующие за Большим Взрывом. Каким бы ни было состояние материи в тот момент, в ней неизбежно должны были возникнуть неоднородности — флуктуации.

Такие неоднородности возникали повсюду, а расширение Вселенной приводило к росту ячеек и уплотнению «узлов». Анализ этого процесса с помощью компьютеров показал, что для этого не требовалось ничего, кроме сил тяготения, которые присущи всем телам, обладающим массой.

Уменьшая масштабы

В качестве итога мы ещё больше увеличимся в размерах. Теперь мы можем разместить в кулаке целые войды и стены. Так мы окажемся в довольно небольшом пузыре, из которого невозможно выбраться. Мало того, что расстояние до объектов на краю пузыря будет увеличиваться по мере их приближения, так ещё и сам край будет бесконечно смещаться. В этом и заключается вся суть размера наблюдаемой Вселенной.

Какой бы Вселенная не была большой, для наблюдателя она всегда останется ограниченным пузырём. Наблюдатель всегда будет в центре этого пузыря, фактически он и есть его центр. Пытаясь добраться до какого-либо объекта на краю пузыря, наблюдатель будет смещать его центр. По мере приближения к объекту, этот объект всё дальше будет отходить от края пузыря и в тоже время видоизменяться. К примеру – от бесформенного водородного облачка он превратится в полноценную галактику или дальше галактическое скопление. Ко всему прочему, путь до этого объекта будет увеличиваться по мере приближения к нему, так как будет меняться само окружающее пространство. Добравшись до этого объекта, мы лишь сместим его с края пузыря в центр. На краю Вселенной всё также будет мерцать реликтовое излучение.

Если предположить, что Вселенная и дальше будет расширяться ускоренно, то находясь в центре пузыря и мотая время на миллиарды, триллионы и даже более высокие порядки лет вперёд, мы заметим ещё более интересную картину. Хотя наш пузырь будет также увеличиваться в размерах, его видоизменяющиеся составляющие будут отдаляться от нас ещё быстрее, покидая край этого пузыря, пока каждая частица Вселенной не будет разрозненно блуждать в своём одиноком пузыре без возможности взаимодействовать с другими частицами.

Итак, современная наука не располагает сведениями о том, каковы реальные размеры Вселенной и имеет ли она границы. Но мы точно знаем о том, что наблюдаемая Вселенная имеет видимую и истинную границу, называемую соответственно радиусом Хаббла (13,75 млрд св. лет) и радиусом частиц (45,7 млрд. световых лет). Эти границы полностью зависят от положения наблюдателя в пространстве и расширяются со временем. Если радиус Хаббла расширяется строго со скоростью света, то расширение горизонта частиц носит ускоренный характер. Вопрос о том, будет ли его ускорение горизонта частиц продолжаться дальше и не сменится ли на сжатие, остаётся открытым.

Жизнь в Солнечной системе

Несомненно, наша планета уникальна. Почему только на Земле возникла жизнь? На этот вопрос учёные умы столетиями пытаются найти и дать ответ.

Как известно, Земля образовалась примерно 4,5-5 миллиардов лет назад. А жизнь на ней зародилась 1,2 миллиарда лет спустя.

Первая жизнь на Земле

Существует несколько теорий образования жизни на голубой планете. Но главными критериями её возникновения являются вода, температура, защита от ультрафиолетового излучения Солнца и сила притяжения планеты.

Сейчас учёные пришли к мнению, что жизнь есть не только на Земле. Они активно исследуют другие планеты и спутники Солнечной системы.

Анализируя данные, не исключена возможность для полноценной жизни и на других объектах космоса. Но, к сожалению, пока это только наработки и исследования.

Одиноки ли мы во Вселенной? Однозначного ответа на этот вопрос нет.

Эволюция Вселенной

Как происходил процесс развития и эволюции Вселенной? В течение следующих миллиардов лет гравитация заставила более плотные области притягиваться. В этом процессе формировались газовые облака, звезды, галактические структуры и прочие небесные объекты.

Этот период именуют Структурной Эпохой, так как именно в этот временной отрезок зарождалась современная Вселенная. Видимое вещество распределялось на различные формирования (звезды в галактики, а те в скопления и сверхскопления).

Что было до появления Вселенной

Сложно представить время за 13,7 миллиардов лет до сегодняшнего дня, когда вся Вселенная представляла собой сингулярность. Согласно теории Большого взрыва, один из главных претендентов на роль объяснения того, откуда появилась Вселенная и вся материя в космосе — все было сжато в точку, меньшую, чем субатомная частица. Но если это еще можно принять, задумайтесь вот о чем: что же было до того, как случился Большой взрыв?

Этот вопрос современной космологии уходит корнями еще в четвертое столетие нашей эры. 1600 лет назад теолог Августин Блаженный как и один из лучших физиков 20 века Альберт Эйнштейн пытались понять природу  до сотворения Вселенной. Они пришли к выводу , что просто не было никакого «до».

В настоящее время человеком выдвигаются различные теории.

Теория Мультивселенной

Что если наша Вселенная является потомком другой, старшей Вселенной? Некоторые астрофизики полагают, что пролить свет на эту историю поможет реликтовое излучение, оставшееся от большого взрыва.

Согласно этой теории, в первые мгновения своего существования Вселенная начала чрезвычайно быстро расширяться. Также теория объясняет температуру и плотность флуктуаций реликтового излучения и подсказывает, что эти флуктуации должны быть одинаковыми.

Но, как выяснилось, нет. Последние исследования дали понять, что Вселенная на самом деле однобока, и в некоторых областях флуктуаций больше, чем в других. Некоторые космологи считают, что это наблюдение подтверждает, что у нашей Вселенной была «мать»(!)

В теории хаотической инфляции эта идея приобретает размах: бесконечный прогресс инфляционных пузырьков порождает обилие вселенных, и каждая из них порождает еще больше инфляционных пузырьков в огромном количестве Мультивселенных.

Теория белых и черных дыр

Тем не менее, существуют модели, которыми пытаются объяснить образование сингулярности до большого взрыва. Если вы думаете о черных дырах как о гигантских мусоросборниках, они являются главными кандидатами первоначального сжатия, поэтому наша расширяющаяся Вселенная вполне может быть белой дырой — выходным отверстием черной дыры, и каждая черная дыра в нашей Вселенной может вмещать в себя отдельную вселенную.

Большой скачок

Другие ученые считают, что в основе формирования сингулярности лежит цикл под названием «большой скачок», в результате которого расширяющаяся вселенная в итоге коллапсирует сама в себя, порождая другую сингулярность, которая, опять же, порождает другой большой взрыв.

Теория циклической Вселенной

Последнее объяснение, которое мы рассмотрим, использует идею циклической Вселенной, порожденной теорией струн. Она предполагает, что новая материя и потоки энергии появляются каждые триллионы лет, когда две мембраны или браны, лежащие за пределами наших измерений, сталкиваются между собой.

Что было до Большого взрыва? Вопрос остается открытым. Может быть, ничего. Может, другая Вселенная или другая версия нашей. Может, океан Вселенных, в каждой из которых — свой набор законов и констант, диктующих природу физической реальности.

Эволюция Вселенной

Изучение Вселенной показывает, что ее размер со временем увеличивается — Вселенная расширяется. Процесс расширения Вселенной начался 14 млрд лет назад из плотного компактного состояния в результате события, называемого Большим взрывом.

Планковская эпоха

Схема эволюции Вселенной такова. В самые ранние моменты жизни (от нуля до $ {10}^{-43} $с, планковская эпоха) вещество имело плотность порядка $ {10}^{97} $ кг на м³ и температуру порядка $ {10}^{32} $К. Квантовые эффекты преобладали над остальными, а все фундаментальные взаимодействия существовали в виде одного общего взаимодействия.

Ранние этапы эволюции Вселенной

Эта эпоха началась с отделения гравитации от общего электроядерного взаимодействия. Плотность вещества в эту эпоху упала до уровня $10^{74}$ кг на м³, а температура — до $10^{27}$К. Отделение гравитации привело к нарушению симметрии в молодой Вселенной и заложило основу для неоднородности в ней. Сама Вселенная в этот момент представляла кварк-глюонную плазму.

Ко времени $10^{-35}$с температура во Вселенной упала настолько, что свободные кварки и глюоны начали объединяться в адроны, в том числе в протоны и нейтроны — основу вещества будущей Вселенной. Сильное взаимодействие отделилось от электрослабого. Адроны обрели стабильность, причем одновременно существовали как частицы, так и античастицы.

Лишь ко времени $10^{-6}$с плазма охлаждается настолько, что частицы и античастицы начинают аннигилировать с образованием большого числа фотонов. Небольшое нарушение симметрии обусловило избыток вещества над антивеществом.

Далее по мере уменьшения плотности и температуры возникает возможность нуклеосинтеза: протоны объединяются в ядра, электроны занимают места в электронных оболочках. Этот процесс начинается примерно через 300 тыс. лет после Большого взрыва.

Рис. 2. Эволюция Вселенной.

Современная эпоха

Нуклеосинтез завершается образованием во Вселенной 75 % водорода, 25 % гелия и следов других элементов. Ко времени 800 млн лет после Большого взрыва начинается эра вещества. Газ, заполняющий Вселенную, начинает образовывать неоднородности и сгустки. Средняя температура в это время во Вселенной опустилась до тысяч кельвинов, что недостаточно для ядерных реакций.

Однако по мере сгущения протозвездных облаков давление и температуры в их ядрах вновь начинают повышаться, что приводит к «зажиганию» термоядерных реакций, и во Вселенной появляются первые звезды. Звезды объединяются гравитацией и движением в галактики, те — в скопления галактик.

Рис. 3. Местная группа галактик.

Что мы узнали?

Вселенная образовалась 14 млрд лет назад в результате Большого взрыва. По мере расширения плотность и температура падали, что привело к образованию вещества, облаков газа, а впоследствии и звезд. В самом крупном масштабе Вселенная имеет волокнистую структуру сверхскоплений и областей без излучающего вещества.

1. /10

   Вопрос 1 из 10

Причины возникновения крупномасштабной структуры Вселенной

Несмотря на наличие таких масштабных конструкций, как галактические стены и нити, самыми крупными устойчивыми структурами все же считаются скопления галактик. Дело в том, что известное расширение Вселенной постепенно растягивает структуру любых объектов, и бороться с этой силой может лишь гравитация. В результате наблюдений за скоплениями и сверхскоплениями был обнаружен такой потрясающий эффект как «гравитационное линзирование». То есть лучи, проходящие через межзвездное пространство, искривляются, что указывает на наличие в нем огромной невидимой, скрытой массы. Она может принадлежать различным ненаблюдаемым космическим телам, однако в таких масштабах вероятнее всего принадлежит темной материи

Крест Эйнштейна — гравитационно-линзированный квазар

Опираясь на почти однородное реликтовое излучение, ученые убеждены в том, что и вещество во Вселенной должно распределяться равномерно. Но особенность гравитации в том, что она склонна стягивать любые физические частицы в плотные структуры, тем самым нарушая однородность. Таким образом, спустя какое-то время после Большого Взрыва незначительные неоднородности в распределении вещества в пространстве стали все более стягиваться в некоторые структуры. Их возрастающая гравитация (в силу возрастания массы на объем) постепенно замедляла расширение, пока не остановила его вовсе. Мало того, в некоторых частях расширение обернулось в сжатие, что и стало причиной образования галактик и галактических скоплений.

Подобная модель проверялась при помощи компьютерных расчетов. Учитывая совсем незначительные флуктуации (колебания, отклонения) в однородности реликтового излучения, компьютер просчитал, что такие же мелкие флуктуации в распределении вещества после Большого Взрыва при помощи гравитации вполне могли породить скопления галактик и ячеистую крупномасштабную структуру Вселенной. https://www.youtube.com/watch?v=MD7HBx0pCYs

Как выглядит общая модель правления и развития Мироздания?

На вершине всего происходящего стоит Высший разум, он же Творец всего сущего. От Него к каждой отдельной планете тянутся нити управления, по которым (как по проводам) информация скапливается, аккумулируется в центральной точке правления. Вселенная, как и любой механизм, может давать сбои. В отдельных узлах и точках галактик происходят остановки и поломки. Задача Творца заключается в том, чтобы своевременно их устранять либо чинить. Переход на более высокую ступень развития Вселенной не происходит, пока есть отстающие планеты.

То есть Творец будет пытаться исправить ситуацию в точках пространства, тормозящих общее развитие. Но если ситуация слишком запущена и обитатели планеты не хотят идти по пути развития, такой объект космоса просто уничтожается. Ее разрушение компенсируется созданием новой, соседней системой.

Люди и другие разумные существа являются своеобразными винтиками в общем механизме Мироздания. Жизнь дается как испытательный срок перед переходом на более высокий уровень бытия. Поэтому время, которое дается для земной жизни необходимо провести с максимальной пользой. В соответствии с едиными законами Вселенной.