Jeste li znali da svemir koji promatramo ima prilično određene granice? Navikli smo povezivati Univerzum s nečim beskonačnim i nerazumljivim. Međutim, moderna znanost na pitanje "beskonačnosti" Univerzuma nudi posve drugačiji odgovor na tako "očito" pitanje.
Prema modernim konceptima, veličina svemira koji se može promatrati iznosi otprilike 45,7 milijardi svjetlosnih godina (ili 14,6 gigaparseka). Ali što znače ovi brojevi?
Granica bezgraničnog
Prvo pitanje koje pada na pamet običnoj osobi jest kako Univerzum uopće ne može biti beskonačan? Činilo bi se neospornim da spremnik svega što postoji oko nas ne bi trebao imati granice. Ako te granice postoje, koje su to?
Recimo da je neki astronaut odletio do granica svemira. Što će vidjeti pred sobom? Čvrsti zid? Protupožarna barijera? I što se krije iza toga - praznina? Još jedan svemir? Ali može li praznina ili neki drugi Univerzum značiti da smo na granici svemira? Uostalom, to ne znači da nema "ničega". Praznina i drugi Svemir također su "nešto". Ali svemir je nešto što sadrži apsolutno sve "nešto".
Dolazimo do apsolutne suprotnosti. Ispada da bi granica Univerzuma trebala skrivati od nas nešto što ne bi trebalo biti. Ili bi se granica Univerzuma trebala ograđivati od „svega“od „nečega“, ali bi to „nešto“trebalo biti i dio „svega“. Općenito, potpuni apsurd. Kako onda znanstvenici mogu tvrditi da ograničavaju veličinu, masu, pa čak i starost našeg svemira? Te su vrijednosti, iako nezamislivo velike, još uvijek konačne. Raspravlja li se znanost s očitim? Da bismo se riješili toga, prvo istražimo kako su ljudi došli do modernog razumijevanja svemira.
Promotivni video:
Proširenje granica
Čovjeka je od davnina zanimalo kakav je svijet oko njih. Ne treba navesti primjere triju kitova i drugih pokušaja starih da objasne svemir. U pravilu se na kraju sve svodilo na činjenicu da je temelj svega što postoji zemaljska nevolja. Još u antici i srednjem vijeku, kada su astronomi imali široko znanje o zakonima upravljanja kretanjem planeta duž „fiksne“nebeske sfere, Zemlja je ostala središte Svemira.
Naravno, i u drevnoj Grčkoj je bilo onih koji su vjerovali da se Zemlja vrti oko Sunca. Bilo je onih koji su govorili o mnogim svjetovima i beskonačnosti svemira. Ali konstruktivno utemeljenje ovih teorija nastalo je tek na rubu znanstvene revolucije.
U 16. stoljeću poljski astronom Nicolaus Copernicus napravio je prvi veliki iskorak u razumijevanju Svemira. Čvrsto je dokazao da je Zemlja samo jedan od planeta koji kruži oko Sunca. Takav je sustav uvelike pojednostavio objašnjenje tako složenog i zamršenog kretanja planeta u nebeskoj sferi. U slučaju nepomične zemlje, astronomi su morali izmisliti sve vrste genijalnih teorija kako bi objasnili ovakvo ponašanje planeta. S druge strane, ako se smatra da je Zemlja pokretna, onda objašnjenje za takve zamršene pokrete dolazi prirodno. Tako je u astronomiji uspostavljena nova paradigma nazvana "heliocentrizam".
Mnogo sunca
Međutim, čak i nakon toga, astronomi su nastavili ograničavati svemir na "sferu fiksnih zvijezda". Sve do 19. stoljeća nisu mogli procijeniti udaljenost do zvijezda. Već nekoliko stoljeća astronomi su uzalud pokušavali otkriti odstupanja u položaju zvijezda u odnosu na Zemljino orbitalno kretanje (godišnje paralakse). Instrumenti iz tih vremena nisu dopuštali takva točna mjerenja.
Vega, snimio ESO
Napokon, 1837. godine, rusko-njemački astronom Vasily Struve izmjerio je paralaksu α Lyra. To je označilo novi korak u razumijevanju razmjera prostora. Sada bi znanstvenici sa sigurnošću mogli reći da su zvijezde daleka sličnost Suncu. I od sada naša svjetiljka nije središte svega, već ravnopravan "stanovnik" beskrajne zvjezdane grupe.
Astronomi su se još više približili razumijevanju razmjera svemira, jer su se udaljenosti do zvijezda pokazale uistinu čudovišnim. Čak se i veličina orbite planeta činila beznačajnom u usporedbi s ovom. Tada je trebalo shvatiti kako su zvijezde koncentrirane u Svemiru.
Mnogo mliječnog puta
Poznati filozof Immanuel Kant predvidio je temelje modernog razumijevanja velike strukture Svemira još 1755. godine. Hipotezirao je da je Mliječni put ogroman rotirajuća skupina zvijezda. Zauzvrat, mnoge opažene maglice također su udaljenije "mliječne putove" - galaksije. Unatoč tome, sve do 20. stoljeća astronomi su se pridržavali činjenice da su sve maglice izvor formiranja zvijezda i dio su Mliječnog puta.
Situacija se promijenila kada su astronomi naučili kako izmjeriti udaljenosti između galaksija pomoću Cefeida. Apsolutna svjetlucavost zvijezda ove vrste strogo ovisi o razdoblju njihove varijabilnosti. Uspoređujući njihovu apsolutnu svjetlinu s vidljivom, moguće je s velikom točnošću odrediti udaljenost do njih. Ovu su metodu Einar Herzsrung i Harlow Shelpy razvili početkom 20. stoljeća. Zahvaljujući njemu sovjetski astronom Ernst Epik 1922. godine odredio je udaljenost do Andromede, što se pokazalo redoslijedom većim od veličine Mliječnog puta.
Edwin Hubble nastavio je Epinovo nastojanje. Mjereći svjetlinu Kefeida u drugim galaksijama, izmjerio je udaljenost do njih i usporedio je s crvenim pomakom u njihovim spektrima. Tako je 1929. razvio svoj poznati zakon. Njegov je rad definitivno opovrgnuo ustaljeno vjerovanje da je Mliječni put rub svemira. Sada je to bila jedna od mnogih galaksija koje su se nekoć smatrale njezinim sastavnim dijelom. Kantova hipoteza potvrđena je gotovo dva stoljeća nakon njegovog razvoja.
Kasnije, veza između udaljenosti galaksije od promatrača i brzine njegovog uklanjanja iz promatrača, koju je otkrio Hubble, omogućila je sastavljanje cjelovite slike velikih razmjera svemira. Pokazalo se da su galaksije samo mali dio toga. Povezali su se u grozdove, grozdove u superklastere. Zauzvrat, superklasteri se sklapaju u najveće poznate strukture u svemiru - filamente i zidove. Te strukture, uz ogromne superpoide (praznine), čine veliku strukturu trenutno poznatog svemira.
Naizgled beskonačnost
Iz navedenog proizlazi da je u samo nekoliko stoljeća znanost postupno prelazila iz geocentrizma u moderno razumijevanje Svemira. Međutim, to ne daje odgovor zašto danas ograničavamo Svemir. Uostalom, do sada se radilo samo o mjerilu kozmosa, a ne o samoj njegovoj prirodi.
Evolucija svemira
Prvi koji je odlučio opravdati beskonačnost Svemira bio je Isaac Newton. Otkrivši zakon univerzalne gravitacije, vjerovao je da će se, ako je prostor ograničen, sva njezina tijela prije ili kasnije spojiti u jedinstvenu cjelinu. Prije njega, ako je netko izrazio ideju o beskonačnosti Univerzuma, to je bilo isključivo u filozofskom ključu. Bez ikakvog znanstvenog opravdanja. Primjer za to je Giordano Bruno. Usput, poput Kanta, mnogo je stoljeća bio ispred znanosti. Bio je prvi koji je izjavio da su zvijezde daleka sunca, a i planeti se vrte oko njih.
Čini se da je sama činjenica beskonačnosti sasvim opravdana i očigledna, ali prekretnice znanosti 20. stoljeća potresle su ovu "istinu".
Stacionarni svemir
Albert Einstein je učinio prvi značajan korak prema razvoju modernog modela svemira. Poznati fizičar predstavio je svoj model stacionarnog svemira 1917. godine. Ovaj se model temeljio na općoj teoriji relativnosti koju je razvio iste godine ranije. Prema njegovom modelu svemir je beskonačan u vremenu i konačan u prostoru. No, kao što je ranije napomenuto, prema Newtonu, svemir konačnih veličina trebao bi se urušiti. Da bi to učinio, Einstein je uveo kozmološku konstantu, koja je nadoknadila gravitacijsku privlačnost udaljenih objekata.
Koliko god to paradoksalno moglo zvučati, Einstein nije ograničio samo konačnost Univerzuma. Prema njegovom mišljenju, Svemir je zatvorena ljuska hipersfere. Analogija je površina obične trodimenzionalne sfere, na primjer, globusa ili Zemlje. Bez obzira koliko putnik putuje oko Zemlje, on nikada neće doseći njegov rub. Međutim, to uopće ne znači da je Zemlja beskonačna. Putnik će se jednostavno vratiti na mjesto gdje je započeo svoje putovanje.
Na površini hipersfere
Isto tako, svemirski lutalac, nadvladavši Einsteinov svemir na zvjezdanom brodu, može se vratiti na Zemlju. Samo će se ovaj put lutač kretati ne dvodimenzionalnom površinom sfere, već duž trodimenzionalne površine hipsfere. To znači da Svemir ima konačni volumen, a samim tim i konačni broj zvijezda i mase. Međutim, Svemir nema granice niti bilo koji centar.
Budućnost svemira
Einstein je do takvih zaključaka došao povezujući prostor, vrijeme i gravitaciju u svojoj poznatoj teoriji. Prije njega ti su se pojmovi smatrali zasebnima, zbog čega je prostor Svemira bio čisto euklidski. Einstein je dokazao da je sama gravitacija zakrivljenost prostornog vremena. To je radikalno promijenilo rano razumijevanje prirode Univerzuma, utemeljeno na klasičnoj njujtonskoj mehanici i euklidskoj geometriji.
Širenje svemira
Čak ni sam otkrivač „novog Svemira“nije bio nepoznanica zablude. Iako je Einstein ograničio svemir u svemiru, nastavio ga je smatrati statičnim. Prema njegovom modelu, Svemir je bio i ostaje vječan, a njegova veličina uvijek ostaje ista. 1922. sovjetski fizičar Alexander Fridman značajno je proširio ovaj model. Prema njegovim proračunima, svemir uopće nije statičan. S vremenom se može proširiti ili ugovoriti. Primjetno je da je Friedman došao do takvog modela, temeljenog na istoj teoriji relativnosti. Mogao je ispravnije primijeniti ovu teoriju, zaobilazeći kozmološku konstantu.
Albert Einstein nije odmah prihvatio ovaj "amandman". Spomenuto Hubble otkriće spasilo je ovaj novi model. Raspršivanje galaksija neosporno je dokazalo činjenicu širenja Svemira. Tako je Einstein morao priznati svoju pogrešku. Sada je svemir imao određenu starost, koja strogo ovisi o Hubble konstanti, koja karakterizira brzinu njegovog širenja.
Daljnji razvoj kozmologije
Dok su znanstvenici pokušavali riješiti to pitanje, otkrivene su mnoge druge važne sastavnice svemira i razrađeni različiti modeli. Tako je 1948. Georgy Gamov uveo hipotezu "o vrućem Svemiru", koja će se kasnije pretvoriti u teoriju velikog praska. Otkrivanje relikvijskog zračenja 1965. godine potvrdilo je njegova nagađanja. Astronomi su sada mogli promatrati svjetlost koja je došla od trenutka kad je svemir postao proziran.
Tamna tvar, koju je 1932. predvidio Fritz Zwicky, potvrđena je 1975. godine. Tamna materija zapravo objašnjava samo postojanje galaksija, galaktičkih klastera i samog Univerzuma u cjelini. Tako su znanstvenici saznali da je većina mase Svemira potpuno nevidljiva.
Od čega se sastoji svemir
Napokon, 1998. godine, tijekom ispitivanja udaljenosti do supernovee tipa Ia, otkriveno je da se svemir širi ubrzanjem. Ova sljedeća prekretnica u znanosti stvorila je moderno razumijevanje prirode svemira. Kozmološki koeficijent koji je uveo Einstein i koji je Friedman opovrgnuo ponovno je pronašao svoje mjesto u modelu Svemira. Prisutnost kozmološkog koeficijenta (kozmološka konstanta) objašnjava njegovo ubrzano širenje. Da bi se objasnila prisutnost kozmološke konstante, uveden je koncept tamne energije - hipotetičkog polja koje sadrži većinu mase Svemira.
Aktualni model svemira naziva se i ΛCDM modelom. Slovo "Λ" označava prisutnost kozmološke konstante koja objašnjava ubrzano širenje svemira. CDM znači da je svemir ispunjen hladnom tamnom materijom. Nedavna istraživanja pokazuju da je Hubble konstanta oko 71 (km / s) / Mpc, što odgovara dobi svemira 13,75 milijardi godina. Znajući starost svemira, može se procijeniti veličina njegovog promatranog područja.
Evolucija svemira
Prema teoriji relativnosti, informacije o bilo kojem objektu ne mogu doći do promatrača brzinom većom od brzine svjetlosti (299792458 km / s). Ispada da promatrač vidi ne samo objekt, već i njegovu prošlost. Što je objekt dalje od njega, to je udaljenija prošlost u njemu. Na primjer, gledajući Mjesec, vidimo što je bilo prije nešto više od sekunde, Sunce - prije više od osam minuta, najbliže zvijezde - godine, galaksije - prije milijune godina itd. U Einsteinovom stacionarnom modelu, svemir nema dobnu granicu, što znači da njegova promatrana regija također nije ničim ograničena. Promatrač, naoružan sve naprednijim astronomskim instrumentima, promatrat će sve udaljenije i drevne predmete.
S modernim modelom svemira imamo drugačiju sliku. Prema njenim riječima Svemir ima starost, a samim tim i granicu promatranja. Odnosno, od rođenja Svemira, niti jedan foton ne bi imao vremena prijeći udaljenost veću od 13,75 milijardi svjetlosnih godina. Ispada da možemo ustvrditi da je promatrački Svemir ograničen od promatrača sfernim područjem poluprečnika 13,75 milijardi svjetlosnih godina. Međutim, to nije sasvim točno. Ne zaboravite na širenje prostora Svemira. Dok foton ne dospije do promatrača, objekt koji ga je emitirao bit će 45,7 milijardi sv. godina star. Ta je veličina horizont čestica, a ona je granica promatranog Univerzuma.
Dakle, veličina promatranog Univerzuma dijeli se na dvije vrste. Vidljiva veličina, koja se naziva i Hubble radijus (13,75 milijardi svjetlosnih godina). I stvarna veličina, koja se naziva hormon čestica (45,7 milijardi svjetlosnih godina). U osnovi, oba ova horizonta uopće ne karakteriziraju stvarnu veličinu Univerzuma. Prvo, oni ovise o položaju promatrača u prostoru. Drugo, s vremenom se mijenjaju. U slučaju ΛCDM modela, horizont čestica se širi brzinom većom od Hubbleovog horizonta. Na pitanje hoće li se taj trend promijeniti u budućnosti, moderna znanost ne daje odgovor. Ali ako pretpostavimo da se Svemir nastavlja ubrzavati širenje, tada će svi oni predmeti koje sada vidimo, prije ili kasnije, nestati iz našeg „vidnog polja“.
Trenutno je najudaljenije svjetlo koje astronomi promatraju je mikrovalno pozadinsko zračenje. Gledajući u nju, znanstvenici vide svemir kao da je bilo 380 tisuća godina nakon Velikog praska. U ovom se trenutku Svemir toliko ohladio da je mogao emitirati besplatne fotone, koji su danas snimljeni uz pomoć radio teleskopa. Tih dana u Svemiru nije bilo zvijezda ili galaksija, već samo čvrsti oblak vodika, helija i beznačajne količine drugih elemenata. Iz nehomogenosti opaženih u ovom oblaku naknadno će se formirati galaktički klasteri. Ispada da su upravo oni predmeti koji nastaju iz nehomogenosti reliktnog zračenja smješteni najbliže horizontu čestica.
Prave granice
Ima li svemir istinite, neupadljive granice i dalje su predmet pseudoznanstvenih pretpostavki. Na ovaj ili onaj način, svi se konvergiraju u beskonačnost Svemira, ali oni beskonačnost tumače na potpuno različite načine. Neki smatraju Svemir multidimenzionalnim, gdje je naš „lokalni“trodimenzionalni svemir samo jedan od njegovih slojeva. Drugi kažu da je svemir fraktalni - što znači da je naš lokalni svemir možda čestica drugog. Ne zaboravite na razne modele Multiverse s njegovim zatvorenim, otvorenim, paralelnim Univerzumima, crvotočinama. A postoji mnogo, mnogo različitih verzija, čiji je broj ograničen samo ljudskom maštom.
Ali ako uključimo hladni realizam ili se jednostavno odmaknemo od svih ovih hipoteza, tada možemo pretpostaviti da je naš Svemir beskonačno homogeno skladište svih zvijezda i galaksija. Štoviše, u bilo kojoj vrlo udaljenoj točki, bilo da je riječ o milijardama gigaparseka od nas, svi će uvjeti biti potpuno isti. U ovom će trenutku biti točno isti horizont čestica i Hubble sfera s istim relikvijskim zračenjem na njihovom rubu. Oko njega će biti iste zvijezde i galaksije. Zanimljivo je da ovo ne proturječi širenju svemira. Uostalom, ne radi se samo o Svemiru koji se širi, već u samom prostoru. Činjenica da je u trenutku velikog praska Svemir nastao iz jedne točke samo govori da su beskonačno male (praktički nulte) dimenzije koje su se tada pretvorile u nezamislivo velike. U nastavku ćemo koristiti upravo ovu hipotezu kako bismo to osiguralikoji jasno razumiju razmjere promatranog svemira.
Vizualna reprezentacija
Različiti izvori pružaju sve vrste vizualnih modela koji ljudima omogućuju razumijevanje razmjera svemira. Međutim, nije nam dovoljno da shvatimo koliko je svemir velik. Važno je razumjeti kako se pojmovi poput Hubbleovog horizonta i horizonta čestica zapravo manifestiraju. Da bismo to učinili, zamislimo naš model korak po korak.
Zaboravimo da moderna znanost ne zna za „stranu“regiju svemira. Odbacujući verzije o multiverzumu, fraktalnom Svemiru i drugim njegovim "vrstama", zamislite da je to jednostavno beskonačno. Kao što je ranije napomenuto, to ne proturječi širenju njezinog prostora. Naravno, uzmimo u obzir činjenicu da su njegova Hubble sfera i sfera čestica jednake 13,75 odnosno 45,7 milijardi svjetlosnih godina.
Ljestvica svemira
Za početak, pokušajmo shvatiti koliko je univerzalna razmjera velika. Ako ste putovali našim planetom, onda možete dobro zamisliti koliko je Zemlja velika za nas. Zamislimo sada naš planet kao zrno heljde koja kruži oko lubenice-sunca upola veličine nogometnog igrališta. U ovom će slučaju orbita Neptuna odgovarati veličini malog grada, regiji oblaka Oort do Mjeseca, regiji granice utjecaja Sunca na Mars. Ispada da je naš Sunčev sustav jednako veći od Zemlje, koliko je i Mars veći od heljde! Ali ovo je tek početak.
Zamislimo sada da će ovaj heljda biti naš sustav, čija je veličina približno jednaka parseku. Tada će Mliječni put biti veličine dva nogometna stadiona. Međutim, ni to nam neće biti dovoljno. Morat ćemo smanjiti Mliječni put na centimetar. Pomalo će podsjećati na pjenu od kave zamotanu u vrtlog usred kafe-crnog intergalaktičkog prostora. Dvadeset centimetara od nje nalazi se ista spiralna „mrvica“- maglica Andromeda. Oko njih će se nalaziti niz malih galaksija iz našeg Lokalnog klastera. Prividna veličina našeg Svemira iznosit će 9,2 kilometra. Došli smo do razumijevanja univerzalnih dimenzija
Međutim, nije dovoljno da razumijemo samu ljestvicu. Važno je razumjeti dinamiku svemira. Zamislimo sebe kao divove za koje Mliječni put ima centimetar promjera. Kao što je već spomenuto, nalazimo se u sferi s radijusom 4,57 i promjerom od 9,24 kilometra. Zamislimo da smo u stanju lebdjeti unutar ove sfere, putovati, nadvladavši čitave megaparcese u sekundi. Što ćemo vidjeti je li naš svemir beskonačan?
Dakako, pred nama će biti beskonačan broj svih vrsta galaksija. Eliptična, spiralna, nepravilna. Neka područja će biti prepuna njih, druga će biti prazna. Glavna značajka bit će to što će vizualno svi biti nepomični dok smo nepomični. Ali čim učinimo korak, same će se galaksije početi kretati. Na primjer, ako uspijemo vidjeti mikroskopski Sunčev sustav u centimetru Mliječnom putu, možemo primijetiti njegov razvoj. Odmaknuvši se 600 metara od naše galaksije, ugledat ćemo protostar Sunce i protoplanetarni disk u trenutku formiranja. Približavajući se vidjet ćemo kako se pojavljuje Zemlja, nastaje život i pojavljuje se čovjek. Isto tako, vidjet ćemo kako se galaksije mijenjaju i kreću dok se odmičemo ili im se približavamo.
Slijedom toga, što više udaljenih galaksija gledamo, to će drevnije za nas biti. Dakle, najudaljenije galaksije bit će smještene dalje od 1300 metara od nas, a na prijelazu od 1380 metara vidjet ćemo relikvijsko zračenje. Istina, ta će udaljenost za nas biti imaginarna. Međutim, kako se približimo relikvijskom zračenju, vidjet ćemo zanimljivu sliku. Prirodno ćemo promatrati kako će se galaksije formirati i razvijati iz prvobitnog oblaka vodika. Kad stignemo do jedne od tih formiranih galaksija, shvatit ćemo da smo prevladali ne 1.375 kilometara, nego svih 4,57.
downsizing
Kao rezultat toga, još više ćemo rasti. Sada možemo u šaku staviti cijele praznine i zidove. Tako se nalazimo u prilično malom mjehuriću iz kojeg je nemoguće izaći. Ne samo da će se udaljenost od predmeta na rubu mjehurića povećavati kako se približavaju, već će i sam rub beskonačno plutati. Ovo je cijela poanta veličine promatranog svemira.
Bez obzira koliko je Svemir velik, za promatrača on će uvijek ostati ograničen mjehurić. Promatrač će uvijek biti u središtu ovog mjehurića, u stvari on je njegovo središte. Pokušavajući doći do bilo kojeg predmeta na rubu mjehurića, promatrač će pomaknuti svoje središte. Kako se približava objektu, ovaj će se objekt pomicati sve dalje i dalje od ruba mjehurića i u isto vrijeme će se mijenjati. Primjerice, iz bezobličnog vodikovog oblaka pretvorit će se u punopravnu galaksiju ili dalje u galaksiju. Uz to, staza do ovog objekta povećat će se kako mu se približite, jer će se i sam okolni prostor mijenjati. Jednom kada dođemo do ovog objekta, samo ga premještamo s ruba mjehurića u njegovo središte. Na rubu svemira treperit će i relikvijsko zračenje.
Ako pretpostavimo da će se Svemir nastaviti ubrzavati širenjem, tada će biti u središtu mjehurića i navijati vrijeme za milijarde, bilijune i još veće redoslijede godina unaprijed, primijetit ćemo još zanimljiviju sliku. Iako će naš mjehurić također rasti u veličini, njegove mutirajuće komponente odmaknut će se od nas još brže, napuštajući rub ovog mjehurića, sve dok svaka čestica Svemira ne luta u svom usamljenom mjehuriću bez mogućnosti interakcije s drugim česticama.
Dakle, moderna znanost nema podatke o tome kakve su stvarne dimenzije Univerzuma i ima li granice. Ali sigurno znamo da svemir koji može promatrati ima vidljivu i pravu granicu, koja se naziva polumjer Hubble (13,75 milijardi svjetlosnih godina) i polumjer čestica (45,7 milijardi svjetlosnih godina). Te su granice potpuno ovisne o položaju promatrača u prostoru i s vremenom se šire. Ako se Hubble radijus širi strogo brzinom svjetlosti, tada se ubrzava širenje horizonta čestica. Ostaje otvoreno pitanje hoće li se njegovo ubrzanje horizonta čestica nastaviti i hoće li se promijeniti na kompresiju.