fbpx

Вселенная: место, полное тайн и загадок

Вселенная
Вселенная — огромный и удивительный мир, полный тайн и загадок

Звездное небо издавна будоражило человеческое воображение. Наши далекие предки пытались понять, что за странные мерцающие точки висят у них над головами. Сколько их, откуда они взялись, влияют ли на земные события? Человек с глубокой древности пытался осмыслить, как устроена Вселенная, в которой он обитает.

О том, как древние люди представляли себе Вселенную, сегодня мы можем узнать разве что из сказок и легенд, дошедших до нас. Понадобились века и тысячелетия, чтобы возникла и окрепла наука о Вселенной, изучающая ее свойства и этапы развития, – космология. Краеугольными камнями данной дисциплины являются астрономия, математика и физика.

Сегодня мы гораздо лучше понимаем устройство Вселенной, но каждое полученное знание лишь рождает новые вопросы. Исследование атомных частиц в коллайдере, наблюдение за жизнью в дикой природе, высадку межпланетного зонда на астероиде также можно назвать изучением Вселенной, ибо данные объекты входят в ее состав. Человек тоже часть нашей прекрасной звездной Вселенной. Изучая Солнечную систему или далекие галактики, мы больше узнаем о самих себе.

Космология и объекты ее изучения

Само понятие Вселенная не имеет четкого определения в астрономии. В разные исторические периоды и у различных народов оно имело целый ряд синонимов, таких как «космос», «мир», «мироздание», «универсум» или «небесная сфера». Нередко, говоря о процессах, происходящих в глубинах Вселенной, применяют термин «макрокосмос», противоположностью которому является «микрокосмос» мира атомов и элементарных частиц.

Сверхновая Cas A
Сверхновая Cas A в созвездии Кассиопеи помогла астрономам понять, что будет с планетами нашей системы после смерти Солнца

На нелегком пути познания космология нередко пересекается с философией и даже теологией, и в этом нет ничего удивительного. Наука об устройстве Вселенной пытается объяснить, когда и как возникло мироздание, разгадать тайну зарождения материи, понять место Земли и человечества в бесконечности космоса.

У современной космологии две наибольшие проблемы. Во-первых, объект ее изучения – Вселенная – уникален, что делает невозможным применение статистических схем и методов. Говоря кратко, мы не знаем о существовании других Вселенных, их свойствах, структуре, поэтому не можем сравнивать. Во-вторых, длительность астрономических процессов не дает возможность проводить прямые наблюдения.

Космология исходит из постулата, что свойства и строение Вселенной одинаковы для любого наблюдателя, за исключением редких космических феноменов. Это означает, что вещество во Вселенной распределено однородно, и она имеет одинаковые свойства во всех направлениях. Из этого следует, что физические законы, работающие в части Вселенной, вполне можно экстраполировать на всю Метагалактику.

Теоретическая космология разрабатывает новые модели, которые затем подтверждаются или опровергаются наблюдениями. Например, была доказана теория возникновения Вселенной в результате взрыва.

Возраст, размеры и состав

Масштабы Вселенной потрясают: они намного больше, чем мы могли представить двадцать или тридцать лет назад. Ученые уже обнаружили около пятисот миллиардов галактик, и число постоянно увеличивается. Каждая из них вращается вокруг собственной оси и удаляется от других на огромной скорости из-за расширения Вселенной.

«Умирающая» звезда
«Умирающая» звезда. Яркие участки — это потоки извергающегося газа

Квазар 3C 345 – один из самых ярких объектов во Вселенной – расположен от нас на удалении в пять миллиардов световых лет. Человеческий разум даже представить не может подобные расстояния. Космическому кораблю, движущемуся со световой скоростью, понадобится тысяча лет, чтобы облететь наш Млечный путь. До галактики Андромеды ему пришлось бы добираться 2,5 тыс. лет. А ведь это ближайшая соседка.

Говоря о размерах Вселенной, мы имеем ввиду ее видимую часть, называемую еще Метагалактикой. Чем больше результатов наблюдений мы получаем, тем дальше раздвигаются границы Вселенной. Причем происходит это одновременно по всем направлениям, что доказывает ее сферическую форму.

Наш мир появился около 13,8 млрд лет назад в результате Большого взрыва – события, породившего звезды, планеты, галактики и другие объекты. Эта цифра является реальным возрастом Вселенной.

Исходя из скорости света можно предположить, что ее размеры также составляют 13,8 млрд световых лет. Однако на самом деле они больше, ибо с момента рождения Вселенная непрерывно расширяется. Часть движется со сверхсветовой скоростью, из-за чего значительное количество объектов во Вселенной останутся невидимыми навеки. Данный предел называются сферой или горизонтом Хаббла.

«Столпы творения»
«Столпы творения» — одно из самых известных фото телескопа Хаббл. На самом деле, они представляют собой потоки газа и пыли в Туманности Орла

Диаметр Метагалактики составляет 93 млрд световых лет. Мы не знаем, что находится за пределами известной Вселенной. Может быть, существуют и более далекие объекты, недоступные сегодня для астрономических наблюдений. Значительная часть ученых верит в бесконечность Вселенной.

Возраст Вселенной неоднократно проверялся с использованием различных методик и научных инструментов. Последний раз его подтвердили с помощью орбитального телескопа «Планк». Имеющиеся данные полностью соответствуют современным моделям расширения Вселенной.

Из чего состоит Вселенная? Водород – самый распространенный элемент во Вселенной (75%), на втором месте находится гелий (23%), на остальные элементы приходятся ничтожные 2% от общего количества вещества. Средняя плотность — 10-29 г/см3, значительная часть которой приходится на так называемую темную энергию и материю. Зловещие названия не говорят об их ущербности, просто темная материя, в отличие от обычной, не взаимодействует с электромагнитным излучением. Соответственно, мы не можем наблюдать ее и делаем свои заключения только по косвенным признакам.

Исходя из вышеуказанной плотности, масса Вселенной составляет примерно 6*1051 кг. Следует понимать, что в эту цифру не входит темная масса.

Структура мироздания: от атомов до галактических скоплений

Космос – это не просто огромная пустота, в которой равномерно рассеяны звезды, планеты и галактики. Структура Вселенной довольно сложна и имеет несколько уровней организации, которые мы можем классифицировать в соответствии с масштабом объектов:

  1. Астрономические тела во Вселенной обычно группируются в системы. Звезды нередко образуют пары или входят в состав скоплений, которые содержат десятки, а то и сотни светил. В этом отношении наше Солнце довольно нетипично, так как оно не имеет «двойника»;
  2. Следующей ступенью организации являются галактики. Они могут быть спиральными, эллиптическими, линзовидными, неправильными. Ученые пока не до конца понимают, почему галактики обладают разной формой. На этом уровне мы обнаруживаем такие чудеса Вселенной, как черные дыры, темную материю, межзвездный газ, двойные звезды. Кроме звезд, в их состав входит пыль, газ, электромагнитное излучение. В известной Вселенной обнаружено несколько сотен миллиардов галактик. Они нередко сталкиваются друг с другом. Это непохоже на автомобильную аварию: звезды просто перемешиваются и меняют свои орбиты. Такие процессы занимают миллионы лет и приводят к образованию новых звездных скоплений;
  3. Несколько галактик образуют Местную группу. В нашу, кроме Млечного пути, входит Туманность Треугольника, Туманность Андромеды и еще 31 система. Скопления галактик – самые крупные из известных устойчивых структур Вселенной, их удерживает воедино гравитационная сила и еще какой-то фактор. Ученые подсчитали, что одного лишь притяжения явно недостаточно для поддержания стабильности этих объектов. Научного обоснования данного феномена пока не существует;
  4. Следующим уровнем структуры Вселенной являются сверхскопления галактик, каждая из которых содержит десятки, а то и сотни галактик и скоплений. Однако тяготение их уже не удерживает, поэтому они следуют за расширяющейся Вселенной;
  5. Последним уровнем организации мироздания являются ячейки или пузыри, стенки которых формируют сверхскопления галактик. Между ними находятся пустотные области, именуемые войдами. Эти структуры Вселенной имеют масштабы около 100 Мпк. На этом ярусе наиболее заметны процессы расширения Вселенной, также с ним связано реликтовое излучение – отголосок Большого взрыва.

Как возникло мироздание

Как появилась Вселенная? Что было до этого момента? Как она превратилась в то бесконечное пространство, известное нам сегодня? Было ли это случайностью или закономерным процессом?

После десятилетий дискуссий и яростных споров, физики и астрономы практически пришли к консенсусу относительно того, что мироздание появилось в результате взрыва колоссальной мощности. Он не только породил все вещество во Вселенной, но и определил физические законы, по которым существует известный нам космос. Это называется теория Большого взрыва.

Согласно этой гипотезе, когда-то вся материя каким-то непостижимым образом была собрана в одной небольшой точке с бесконечной температурой и плотностью. Она получила название сингулярности. 13,8 млрд лет назад точка взорвалась, образовав звезды, галактики, их скопления и другие астрономические тела Вселенной.

Почему и как это произошло – непонятно. Ученым приходится выносить за скобки множество вопросов, связанных с природой сингулярности и ее происхождением: законченной физической теории этого этапа истории Вселенной пока не существует. Следует отметить, что есть и другие теории возникновения Вселенной, но они имеют гораздо меньше приверженцев.

Термин «Большой взрыв» вошел в оборот в конце 40-х годов после публикации работ британского астронома Хойла. Сегодня данная модель досконально проработана – физики могут уверенно описать процессы, происходившие через доли секунды после этого события. Еще можно добавить, что данная теория позволила определить точный возраст Вселенной и описать основные этапы ее эволюции.

Главным доказательством теории Большого взрыва является наличие реликтового излучения. Оно было открыто в 1965 году. Данный феномен возник в результате рекомбинации атомов водорода. Реликтовое излучение можно назвать основным источником информации о том, как была устроена Вселенная миллиарды лет назад. Оно изотропно и равномерно заполняет космическое пространство.

Еще одним аргументом в пользу объективности данной модели является сам факт расширения Вселенной. Собственно говоря, экстраполируя этот процесс в прошлое, ученые и пришли к подобной концепции.

Есть в теории Большого взрыва и слабые места. Если бы мироздание образовалось мгновенно из одной небольшой точки, то должно было существовать неоднородное распределение вещества, чего мы не наблюдаем. Также данная модель не может объяснить, куда подевалась антиматерия, количество которой в «момент творения» не должно было уступать обычной барионной материи. Однако сейчас число античастиц во Вселенной мизерно. Но самый весомый недостаток данной теории – ее неспособность объяснить феномен Большого взрыва, он просто воспринимается как свершившийся факт. Мы не знаем, как выглядела Вселенная до момента сингулярности.

Большой взрыв
Мы не знаем, как выглядел Большой взрыв и что было до него

Существуют и другие гипотезы зарождения и дальнейшей эволюции мироздания. Долгие годы была популярна модель стационарной Вселенной. Ряд ученых придерживались мнения, что в результате квантовых флуктуаций она возникла из вакуума. В их числе был и знаменитый Стивен Хокинг. Ли Смолин выдвинул теорию о том, что наша, как и другие Вселенные, образовались внутри черных дыр.

Предпринимались попытки улучшить существующую теорию Большого взрыва. Например, существует гипотеза о цикличности Вселенной, согласно которой, рождение из сингулярности – не более чем ее переход из одного состояния в другое. Правда, такой подход противоречит второму закону термодинамики.

Эволюция мироздания или что происходило после Большого взрыва

Теория Большого взрыва позволила ученым создать точную модель эволюции Мироздания. И сегодня мы неплохо знаем, какие процессы происходили в молодой Вселенной. Исключение составляет лишь самый ранний этап творения, который по-прежнему остается предметом яростных обсуждений и споров. Конечно, для достижения подобного результата одной теоретической основы было недостаточно, понадобились годы исследований Вселенной и тысячи экспериментов на ускорителях.

Эволюция Вселенной
Эволюция Вселенной: от Большого взрыва до наших дней

Сегодня наука выделяет следующие этапы после Большого взрыва:

  1. Самый ранний из известных нам периодов называется Планковской эрой, он занимает отрезок от 0 до 10-43 секунд. В это время вся материя и энергия Вселенной была собрана в одной точке, а четыре основных взаимодействия были едины;
  2. Эпоха Великого объединения (с 10−43 по 10−36 секунд). Она характеризуется появлением кварков и разделением основных видов взаимодействий. Главным событием этого периода считается выделение гравитационной силы. В эту эру начали формироваться законы Вселенной. Сегодня мы имеем возможность для подробного описания физических процессов этой эпохи;
  3. Третий этап творения называется Эпохой инфляции (с 10−36 по 10−32). В это время началось стремительное движение Вселенной со скоростью, значительно превосходящей световую. Она становится больше, чем современная видимая Вселенная. Начинается охлаждение. В данный период окончательно разделяются фундаментальные силы мироздания;
  4. В период с 10−32 по 10−12 секунды появляются «экзотические» частицы типа бозона Хиггса, пространство заполнила кварк-глюонная плазма. Промежуток с 10−12 по 10−6 секунды называется эпохой кварков, с 10−6 по 1 секунду – адронов, в 1 секунду после Большого взрыва начинается эра лептонов;
  5. Фаза нуклеосинтеза. Она длилась примерно до третьей минуты от начала событий. В этот период во Вселенной из частиц возникают атомы гелия, дейтерия, водорода. Продолжается охлаждение, пространство становится прозрачным для фотонов;
  6. Через три минуты после Большого взрыва начинается эра Первичной рекомбинации. В этот период появилось реликтовое излучение, которое астрономы изучают до сих пор;
  7. Период 380 тыс. – 550 млн лет называют Темными веками. Вселенная в это время заполнена водородом, гелием, различными видами излучения. Источников света во Вселенной не было;
  8. Через 550 млн лет после Сотворения появляются звезды, галактики и прочие чудеса Вселенной. Первые звезды взрываются, освобождая материю для образования планетных систем. Данный период называется Эрой реионизации;
  9. В возрасте 800 млн лет во Вселенной начинают образовываться первые звездные системы с планетами. Наступает Эра вещества. В этот период формируется и наша родная планета.

Считается, что интерес для космологии представляет период с 0,01 секунды после акта творения и по наши дни. В этот временной отрезок сформировались первичные элементы, из них возникли звёзды, галактики, Солнечная система. Для космологов особо важным периодом считается эра рекомбинации, когда возникло реликтовое излучение, с помощью которого продолжается изучение известной Вселенной.

История космологии: древнейший период

Человек задумывался об устройстве окружающего мира с незапамятных времен. Наиболее ранние представления о строении и законах Вселенной можно обнаружить в сказках и легендах разных народов мира.

Считается, что регулярные астрономические наблюдения впервые стали практиковаться в Месопотамии. На этой территории последовательно проживали несколько развитых цивилизаций: шумеры, ассирийцы, персы. О том, как они представляли себе Вселенную, мы можем узнать из множества клинописных табличек, найденных на месте древних городов. Первые записи, касающиеся движения небесных тел, датируются VI тысячелетием до нашей эры.

Небесный диск из Небры
Небесный диск из Небры. Он датируется XVII веком до н. э. Считается, что этот артефакт использовался для астрономических наблюдений

Из астрономических явлений шумеров больше всего интересовали циклы – смены времен года и фаз луны. От них зависел будущий урожай и здоровье домашних животных, следовательно, и выживание человеческой популяции. Из этого был сделан вывод о влиянии небесных тел на процессы, происходящие на Земле. Стало быть, изучая Вселенную, можно предсказывать свое будущее – так родилась астрология.

Шумеры изобрели шест для определения высоты Солнца, создали солнечный и лунный календарь, описали основные созвездия, открыли некоторые законы небесной механики.

Большое внимание движению космических объектов уделялось в религиозных практиках Древнего Египта. Жители долины Нила использовали геоцентрическую модель Вселенной, в которой Солнце вращалось вокруг Земли. До нас дошло множество древнеегипетских текстов, содержащих астрономические сведения.

Значительных высот наука о небе достигла в Древнем Китае. Здесь еще в III тысячелетии до н. э. появилась должность придворного астронома, а в XII веке до н. э. были открыты первые обсерватории. О солнечных затмениях, пролетах комет, метеоритных потоках и других интересных космических событиях древности мы в основном знаем из китайских летописей и хроник, которые скрупулёзно велись на протяжении столетий.

В большом почете астрономия была у эллинов. У них изучением этого вопроса занимались многочисленные философские школы, каждая из которых, как правило, имела собственную систему Вселенной. Греки первыми выдвинули предположение о шарообразной форме Земли и о вращении планеты вокруг собственной оси. Астроном Гиппарх ввел в оборот понятия апогея и перигея, эксцентриситета орбиты, разработал модели движения Солнца и Луны, высчитал периоды обращения планет. Большой вклад в развитие астрономии внес Птолемей, которого можно назвать творцом геоцентрической модели Солнечной системы.

Геоцентрическая модель Птолемея
Геоцентрическая модель Птолемея. На протяжении столетий люди считали, что Земля — это центр Вселенной

Больших высот в изучении законов Вселенной достигла цивилизация майя. Это подтверждают результаты археологических раскопок. Жрецы умели предсказывать солнечные затмения, они создали совершенный календарь, построили многочисленные обсерватории. Астрономы майя наблюдали ближайшие планеты и смогли точно определить их периоды обращения.

Средние века и Новое время

После крушения Римской империи и распространения христианства, Европа почти на тысячелетие погрузилась в Темные века – развитие естественных наук, в том числе и астрономии, практически остановилось. Европейцы черпали информацию об устройстве и законах Вселенной из библейских текстов, немногочисленные астрономы твердо придерживались геоцентрической системы Птолемея, небывалой популярностью пользовалась астрология. Реальное изучение учеными Вселенной началось только в эпоху Возрождения.

В конце XV столетия кардиналом Николаем Кузанским была выдвинута смелая идея об универсальности мироздания и бесконечности глубин Вселенной. Уже к XVI веку стало понятно, что взгляды Птолемея ошибочны, и без принятия новой парадигмы дальнейшее развитие науки немыслимо. Поломать старую модель решился польский математик и астроном Николай Коперник, предложивший гелиоцентрическую модель Солнечной системы.

Гелиоцентрическая модель Коперника
Гелиоцентрическая модель, предложенная польским священником и астрономом Коперником

С современной точки зрения, его концепция была несовершенной. У Коперника движение планет обеспечивалось вращением небесных сфер, к которым они крепились. Сами орбиты имели круговую форму, а на границе мира находилась сфера с неподвижными звездами. Однако, поместив Солнце в центр системы, польский ученый, без сомнения, совершил настоящую революцию. Историю астрономии можно разделить на две большие части: древнейший период и изучение Вселенной от Коперника до наших дней.

В 1608 году итальянский ученый Галилей изобрел первый в мире телескоп, который дал огромный толчок развитию наблюдательной астрономии. Теперь ученые могли созерцать глубины Вселенной. Оказалось, что Млечный путь состоит из миллиардов звезд, Солнце имеет пятна, Луна – горы, а вокруг Юпитера вращаются спутники. Появление телескопа вызвало настоящий бум оптических наблюдений за чудесами Вселенной.

В середине XVI века датский ученый Тихо Браге первым начал регулярные астрономические наблюдения. Он доказал космическое происхождение комет, опровергнув тем самым идею Коперника о небесных сферах. В начале XVII столетия Иоганн Кеплер разгадал тайны движения планет, сформулировав свои знаменитые законы. В это же время были открыты туманности Андромеды и Ориона, кольца Сатурна, составлена первая карта лунной поверхности.

В 1687 году Исааком Ньютоном был сформулирован закон всемирного тяготения, объясняющий взаимодействие всех составляющих Вселенной. Он позволил увидеть скрытый смысл законов Кеплера, которые, по сути, были выведены эмпирическим путем. Принципы, открытые Ньютоном, позволили ученым по-новому взглянуть на пространство Вселенной.

XVIII столетие стало периодом бурного развития астрономии, значительно расширившим границы известной Вселенной. В 1785 году Кант выдвинул блестящую идею, что Млечный путь – это огромное звездное скопление, собранное воедино гравитацией.

В это время на «карте Вселенной» появлялись новые небесные тела, совершенствовались телескопы.

В 1785 году английский астроном Гершель на основе законов электромагнетизма и ньютоновской механики попытался создать модель Вселенной и определить ее форму. Однако он потерпел неудачу.

В XIX веке инструменты ученых стали более точными, появилась фотографическая астрономия. Спектральный анализ, появившийся в середине столетия, привел к настоящей революции в наблюдательной астрономии – теперь темой для исследований стал химический состав объектов. Был открыт пояс астероидов, измерена скорость света.

Эпоха прорывов или новейшее время

Двадцатое столетия стало эпохой настоящих прорывов в астрономии и космологии. В начале века Эйнштейн явил миру свою теорию относительности, которая совершила настоящий переворот в наших представлениях о мироздании и позволила по-новому взглянуть на свойства Вселенной. В 1929 году Эдвин Хаббл обнаружил, что наша Вселенная расширяется. В 1931 году Жорж Леметр выдвинул идею о ее образовании из одной крошечной точки. По сути, это было начало теории Большого взрыва. В 1965 году открыли реликтовое излучение, подтвердившее эту гипотезу.

В 1957 году на орбиту был отправлен первый искусственный спутник, после чего началась космическая эра. Теперь астрономы могли не только наблюдать за небесными телами в телескопы, но и исследовать их вблизи с помощью межпланетных станций и спускаемых зондов. Мы даже смогли высадиться на поверхности Луны.

90-е годы можно назвать «периодом темной материи». Ее открытие объяснило ускорение расширения Вселенной. В это время в эксплуатацию были введены новые телескопы, позволившие нам раздвинуть пределы известной Вселенной.

Орбитальный телескоп Хаббла
Орбитальный телескоп Хаббла. Он назван в честь американского астронома Эдвина Хаббла, открывшего расширение Вселенной

В 2016 году были открыты гравитационные волны, что, вероятно, положит начало новому разделу астрономии.

За последние столетия мы значительно расширили границы наших познаний о Вселенной. Однако, на самом деле, люди лишь приоткрыли дверь и заглянули в огромный и удивительный мир, полный тайн и потрясающих чудес.

Если у вас возникли вопросы - оставляйте их в комментариях под статьей. Мы или наши посетители с радостью ответим на них