(A11) Вселенная

(A11) Неделя науки в Спасской школе: РАСШИРЯЮЩАЯСЯ ВСЕЛЕННАЯ

Ф10П 2-3. Физические величины. Физическая теория. Физическая картина мира

Спросите Итана №76: очень ранняя Вселенная

Что происходило, когда всё было настолько горячее, что материя и антиматерия образовывались спонтанно?

Из специальной теории относительности вытекает, что масса и энергия являются разными проявлениями одного и того же – концепция, среднему уму незнакомая.
— Альберт Эйнштейн

Каждую неделю у вас есть возможность отправлять вопросы и пожелания, чтобы стать звездой нашей ежедневной колонки. На этой неделе мы переносимся на самые ранние стадии Большого взрыва благодаря Уэйну Кингу, который спрашивает:
Есть период, о котором мы знаем немного, это период аннигиляции частиц и античастиц. Было ли это “материей” в смысле протонов и позитронов? И что случилось с нейтронами? Или это была какая-то форма уплотнённой энергии из области квантовой хромодинамики? Как она появлялась? Оставалось ли что-либо в процессе аннигиляции? Сколько энергии выделялось, и куда она делась?
Большинство авторов просто ограничиваются общими отписками, описывая эту тему.
О чём же толкует Уэйн? Начнём с сегодняшнего состояния Вселенной, и нажмём «перемотку» назад.

Спросите Итана №73: Мультивселенная и вы

Существует ли в какой-нибудь другой Вселенной иная версия вас?

Отправляйся, кроме этого мира существуют и другие.
— Стивен Кинг, «Тёмная башня»

Спросите Итана №72: История жизни Вселенной

Мы заявляем о точном представлении об истории Вселенной. Но насколько это верно?

Единственная причина для существования времени — чтобы всё не случилось одновременно
— Альберт Эйнштейн

И вот мы дожили до конца недели, а значит, пришло время выбирать очередной вопрос. Еженедельно вы отправляете свои вопросы и предложения, а я выбираю из них лучший для того, чтобы рассказать вам о Вселенной. Сегодняшний всеобъемлющий вопрос поступил от Скотта Роббинса, который хочет знать:
Я запутался в истории Большого взрыва. Когда учёные говорят о начале Вселенной, формировании элементов и создании галактик, они указывают точные временные интервалы. Но где они берут эти числа? Эмпирически подтвердить их вряд ли возможно, но всё равно они указываются очень точно (и уверенно). Как учёные могут быть настолько уверены в этих данных, и откуда они берутся?
И он даже дал ссылку на иллюстрацию вопроса.

Спросите Итана №70: Есть ли у Вселенной центр?

Если всё началось с Большого взрыва, и расширялось, есть ли у всего центр?

Я хочу оставаться так близко к краю, как только могу, не падая с него. С края видно много такого, чего не увидишь с середины.
— Курт Воннегут

С каждым мгновением у нас появляется всё больше вопросов. Почему бы не ответить на крупнейшие? Каждую неделю я выбираю один вопрос, и на этой неделе честь досталась Эрику Винсенту, который спрашивает:

Где же центр? Уже некоторое время, из-за распределения материи, я отказываюсь верить в один большой взрыв, начавший Вселенную. В статье предполагается, что Земля – это центр Вселенной. Разве это не настолько же вероятно, как то, что гравитация всё время выигрывает, и что в нескольких местах Вселенной существует достаточно материи, чтобы стянуть всё к центру, без необходимости создавать бездоказательный термин (тёмная энергия). Я, конечно, не эксперт, поэтому мне интересно, где и почему я ошибаюсь.

Спросите Итана №69: убегает ли от нас Вселенная?

По мере того как тёмная энергия всё больше доминирует, и далёкие галактики удаляются от нас с ускорением, что мы теряем, и что это значит для нас?

Что это за чувство, когда уезжаешь от людей, а они становятся всё меньше и меньше, пока их пылинки не рассеиваются у тебя на глазах? — это слишком огромный мир высится своим сводом над нами, и это прощание. Но мы склоняемся вперёд, навстречу новому безумству под небесами.
— Джек Керуак, «В дороге»

С возрастом у меня всё лучше выходят прощания, но большинство из нас всё ещё не готовы к великой правде космического прощания, ожидающей нас. На этой неделе я получил отличные вопросы и предложения, и честь получить ответ переходит к Хоакину Богадо, который хочет узнать об исчезающих из нашего поля зрения галактиках:
В блогозаписи «Исчезающая Вселенная» вы натолкнули меня на мысль, что из нашей Вселенной каждую секунду исчезает много ценной информации. Мои вопросы:
1) как это влияет на теорию Большого взрыва и возраст Вселенной?
2) Возможно ли узнать, какая часть Вселенной уже исчезла?
Давайте начнём с того, что означает исчезновение вещей, и сделаем мы это через возвращение к идее Большого взрыва.

Спросите Итана №64: что происходит с материей при расширении Вселенной?

При расширении Вселенной излучение растягивается, и длины волн увеличиваются – но что происходит с материей?

Медленно растущее дерево приносит лучшие плоды
— Мольер

Сегодня конец недели, и поэтому мы, просмотрев ваши вопросы, выбрали один, который получит ответ в нашей колонке. Спрашивает Андрей Новак:
Теория Большого взрыва утверждает, что при расширении пространства-времени свет смещается в область увеличения длин волн. А влияет ли это расширение на частицы материи? Ведь их размер конечен.
Удивительный вопрос, если задуматься.

Спросите Итана №63: рождение пространства и времени

Если что-то существовало до Большого взрыва, что это может значить для рождения нашей Вселенной?

Ты можешь попытаться соврать самому себе. Ты можешь говорить себе, что ты вложил всё свое время и все свои усилия. Но ты знаешь правду — и я её знаю.
Дж. Дж. Уатт

Полвека прошло с тех пор, когда крупнейшие предсказания теории Большого взрыва были подтверждены, и навсегда изменили наше представление о Вселенной. Вместо концепции о вечной и бесконечной Вселенной у нас теперь есть понимание, что всё, что мы можем наблюдать, существовало примерно 14 миллиардов лет космического времени, а Солнце и Солнечная система существуют всего лишь треть от этого срока. Что и делает вопрос Себастьяна, заданный в нашей колонке, таким интересным:
Когда началось пространство-время? Когда я был ребёнком, я узнал, что началом всего был Большой взрыв. Теперь, видимо, это представление не совсем верно, поскольку до Большого взрыва была космическая инфляция, а взрыв был вовсе не взрывом, а состоянием, когда Вселенная была горячее и плотнее. Если до Большого взрыва была инфляция, значит, до него было и пространство-время?
Чтобы полностью ответить на вопрос, нам нужно рассмотреть три вещи. Первая – что мы подразумеваем под пространством и временем.

Спросите Итана №60: почему энергия исчезает из Вселенной?

Фоновое космическое излучение во Вселенной когда-то поджаривало всё вокруг, но теперь оно почти приблизилось к абсолютному нулю. Куда делась вся энергия?

Думаю, что самое крутое, что можно сделать – исчезнуть на время, потому что это даст вам шанс появиться заново.
— Джош Майкл Хомме

Если подумать, Большой взрыв – одна из самых сложных абстракций, которые можно представить. Конечно, сейчас Вселенная расширяется, а значит, раньше всё было ближе друг к другу и Вселенная была плотнее. Но она была ещё и горячее, поэтому частицы в ней обладали большей энергией по сравнению с сегодняшним днём, когда они уже более «холодные». На этой неделе побеждает вопрос Барри Пэрдо, который спрашивает:
Насколько я понимаю, космическое микроволновое фоновое излучение (КМФИ) постепенно охлаждается с расширением Вселенной, и что частицы КМФИ с красным смещением переходят на увеличивающиеся длины волн и уменьшающиеся уровни энергии. Но куда уходит энергия этих частиц?
Давайте разберёмся и поймём, почему этот вопрос такой глубокий.

Спросите Итана №54: какой самый ранний из сигналов Вселенной мы зафиксировали?

Есть ли способ заглянуть за барьер, существующий перед тем моментом жизни Вселенной, когда она стала прозрачной?

С ранних времён люди – исследователи и мыслители – хотели выяснить форму их мира. И мы всегда делали это, рассказывая истории. Трудно позволить правде встать на пути хорошей истории.
— Адам Сэвидж

После небольшого перерыва я рад объявить о возвращении нашей колонки. Каждую неделю мы предлагаем вам высылать ваши вопросы и предложения, чтобы получить на них подробный ответ, используя все возможности научного знания. В связи с долгим отсутствием я решил выдать вам сразу три ответа в одном, благодаря Жерару, который спрашивает:

Два астрономических вопроса:
1) на гравитационные волны, по идее, не должен влиять заряд материи. Возможно ли, что они помогут нам заглянуть дальше времени реликтового излучения? То есть, преодолеть барьер реликтового излучения?
2) Фотоны рассеиваются заряженными частицами сильнее, чем нейтральными атомами водорода. Будут ли фотоны определённых частот рассеиваться больше других заряженными частицами?
И личный вопрос: как вы заинтересовались астрономией? Из-за учителя в колледже? Из-за родственника? Из-за похода в планетарий?

Начнём с первых двух вопросов и настоящего времени.

Об истинных размерах черных дыр на пальцах™

Интересный и совершенно неинтуитивный факт о черных дырах. Несмотря на то, что при взгляде снаружи черная дыра имеет вполне себе конечный объем, если мы думаем о черной дыре как о некой черной сфере, ограниченной Горизонтом Событий, у которого есть определенный радиус, а значит и конечный объем, находящийся под этим Горизонтом Событий, то при взгляде изнутри — черная дыра бесконечна, то есть объем пространства, находящегося под Горизонтом Событий бесконечен, или как минимум очень велик, гораздо больше, чем объем нашей Вселенной.

Спросите Итана №53: что такое Большой разрыв?

Самая страшная из всех судеб Вселенной, приводящая к полному уничтожению всего, что было и что будет

Почему это необходимо — быть такими одинокими? Столько людей живет в этом мире, каждый из нас что-то жадно ищет в другом человеке, и все равно мы остаемся такими же бесконечно далекими, оторванными друг от друга. Почему так должно быть? Ради чего? Может, наша планета вращается, подпитываясь людским одиночеством?
— Харуки Мураками

Вокруг нас существует огромная Вселенная, тянущаяся на сотни миллиардов световых лет, содержащая не менее триллиона галактик. Возможно, что Вселенная, размеры которой превышают наблюдаемую её часть, бесконечна. Но что случится с ней в будущем? Среди ваших отличных вопросов и предложений, отправленных на этой неделе, для ответа в нашей колонке был выбран вопрос Джеффа Харриса, который спрашивает:

Когда-то я читал статью в New York Times про нечто под названием «Большой разрыв». Они указали, что ускоряющееся расширение Вселенной приведёт к тому, что галактики не смогут взаимодействовать друг с другом, атомы не смогут сформироваться, и материя «испарится». Принимая во внимание текущую скорость расширения, возможен ли такой исход? Каковы будут основные стадии этого Большого разрыва, и через какое время от текущего они будут происходить?

Если вам интересна судьба Вселенной, вам надо вернуться к Большому взрыву и проследить, как она развивалась до сегодняшнего дня.

Спросите Итана №52: как давно расширение Вселенной начало ускоряться?

Родись мы на пару миллиардов лет раньше, мы бы об этом не знали

В конце концов, “Вселенная” — это гипотеза, как и “атом”, и ей надо дать свободу обладать свойствами, делать противоречивые и невозможные для конечной материальной структуры вещи.
-Уильям де Ситтер

Уже год еженедельно я прошу вас отправлять мне вопросы и предложения, и я выбираю те, что мне понравились для еженедельной колонки “Спросите Итана”. Мы обращались к темам от мельчайших до крупнейших масштабов, от земных дел до космических, и от начала Вселенной до её конца. На этой неделе меня спрашивает Хемза Азри по поводу вот чего:

Пытаюсь узнать, есть ли новые данные наблюдений по поводу фазы ускорения Вселенной! Когда оно началось?

Поговорим о Вселенной и её расширении.

Спросите Итана №31: почему мы сделаны из материи?

Если в начале существования Вселенной в ней было одинаковое количество материи и антиматерии, почему в сегодняшнем космосе материя доминирует?

Вы можете не чувствовать себя очень мощным, но если вы — взрослый человек среднего размера, в вашем скромном теле содержится не меньше 7 × 10¹⁸ Дж потенциальной энергии — её было бы достаточно, чтобы вы могли взроваться с мощностью тридцати очень больших водородных бомб, если бы вы знали, как освободить её и если бы вам это было очень нужно.
— Билл Брайсон

В конце недели я выбираю лучший из ваших вопросов для колонки “спросите Итана”, и на этой неделе честь предоставляется Джастину Старру, который спрашивает:

Насколько я понимаю, в зарождавшейся Вселенной были равные части материи и антиматерии, в результате чего происходила серьёзная аннигиляция. И как же материя в результате победила?

Джастин спрашивает об одной из величайших нерешённых загадок Вселенной.
Подумайте об этих двух вроде бы противоречащих друг другу фактах:

а) создание пары; б) аннигиляция

Спросите Итана №50: почему Вселенная не превратилась в чёрную дыру?

Учитывая, что вся эта материя и вся энергия были так тесно собраны в одном месте, и были такими плотными в момент Большого взрыва – почему же Вселенная не реколлапсировала?

“Es ist immer angenehm, über strenge Lösungen einfacher Form zu verfügen.” (Всегда приятно иметь в своём распоряжении точное решение в простом виде)
– Карл Шварцшильд

Даже если бы вы знали все законы физики во всех местах Вселенной в любой момент, этого всё равно было бы недостаточно для предсказания текущего состояния Вселенной. Поскольку, хотя законы физики устанавливают правила эволюции системы, для старта ей всё ещё требуется набор начальных условий. На этой неделе наш выпуск посвящён вопросу Адреаса Лаузера, который спрашивает:

Хотя у меня нет особых сомнений в том, что теория Большого взрыва корректна, или, как вы бы сказали, неплохо аппроксимирует произошедшее, есть одна вещь, о которой я размышляю, когда думаю об этой части космологии. Есть ли объяснение тому, что Вселенная не превратилась сразу в чёрную дыру? Полагаю, что изначальная её плотность была гораздо выше предела Шварцшильда.

Мы уже обсуждали этот вопрос, но вам нужны дополнительные детали и ответ получше, чем я тогда давал. Вернёмся к моменту рождения самой успешной теории гравитации, ОТО, на 100 лет назад.

Спросите Итана №49: отвергают ли космические неизвестные теорию Большого взрыва?

Нам неизвестна природа ни тёмной материи, ни тёмной энергии, составляющих 95% нашей Вселенной. Значит ли это, что теория Большого взрыва подлежит сомнению?

Если в вашей теории есть бесконечности – именно в этих местах она и перестаёт описывать реальность. Если космос родился из Большого взрыва, и при этом бесконечен, нам приходится верить, что он мгновенно стал бесконечно большим. А это абсурд.
— Жанна Левин

Это в некотором роде чудо, что несмотря на все наши знания, добытые с помощью научных исследований, мы всё ещё сталкиваемся с вопросами, на которые у нас нет ответов. И каждую неделю вы стараетесь огорошить меня в моей еженедельной колонке своими вопросами и предложениями. На этой неделе читатель jlnance спрашивает:
Учёные уверены, что понимают эволюцию Вселенной прямо от самого начала большого взрыва. И они уверены, что Вселенная состоит из тёмной материи, чей состав неизвестен, и что её динамика управляется тёмной энергией, которая также изучена слабо (это что,- новая сила?) 

И как же тогда возможно сделать экстраполяцию до Большого взрыва, если о материи и силе во Вселенной известно так мало?

Это важный вопрос, которы стоит себе задавать каждый раз после получения новых фактов: “Правилен ли теперь наш старый образ мышления?” Давайте выясним.

(А11) Млечный путь - наша Галактика. Галактики. Строение и эволюция Вселенной.

Спросите Итана №45: как далеко простирается Мультивселенная?

Читатель спрашивает:

Не могли бы вы объяснить подробнее теорию мультивселенной? Будут ли в разных вселенных разные законы? Или у них всех будут некие фундаментальные законы? Или это всё будет одновременно? Исходят ли они из центра нашей Вселенной, или каждая из них имеет свою точку большого взрыва?

Тут задано сразу много вопросов, поэтому начнём с основ – со Вселенной, которую мы знаем и любим.