Розширення всесвіту відбувається зі швидкістю. Запрошуємо Вас обговорити цю публікацію на нашому

Про складні теорії простою мовою.

Сьогодні вранці помер відомий фізик та популяризатор науки Стівен Хокінг. Вчений займався космологією та квантовою гравітацією.

Ми розповідаємо простою мовою про основні відкриття Хокінга, які змінили науку.

1. Випромінювання Хокінга

   Хокінг розробив теорію про те, що чорні дірки «випаровуються» за рахунок особливого випромінювання, яке потім назвали його ім'ям.

   До цього відкриття вчені вважали, що чорні нічого не випромінюють, а лише поглинають. Він довів, що чорні дірки не зовсім чорні, тому що випромінюють залишкову радіацію.

   Також Хокінг робить висновок, що чорні діри існують не завжди: вони випромінюють все сильніший вітер і, зрештою, зникають внаслідок гігантського вибуху.

   Ейнштейн так і не прийняв квантову механіку через пов'язаний з нею елемент випадковості та невизначеності. Він сказав: Бог не грає у кості. Схоже, що Ейнштейн помилився двічі. Квантовий ефект чорної діри дозволяє припустити, що Бог не тільки грає в кістки, а й іноді кидає їх туди, де їх не можна побачити. Стівен Хокінг.

2. Всесвіт створив себе сам

   Ця теорія Хокінга присвячена питанню створення всесвіту, у якого, на думку вченого, не було початку самого моменту творіння. Вчений припустив, що є інший напрямок руху часу (не тільки вперед чи назад), і висунув теорію про уявний час, для якого взагалі не існує понять «початку» або «кінець».

   Хокінг був переконаним атеїстом. Ось його цитата на цю тему:

   Оскільки існує така сила як гравітація, Всесвіт міг і створив себе з нічого. Мимовільне створення - причина того, чому існує Всесвіт, чому існуємо ми. Немає жодної потреби в Бозі для того, щоб "запалити" вогонь і змусити Всесвіт працювати. Стівен Хокінг.

3. Всесвіт розширюється

   До 20 століття вважалося, що Всесвіт вічний і незмінний. Хокінг доступною мовою довів, що це не так.

   У світлі від далеких галактик відбувається зміщення у бік червоної частини спектра. Це означає, що вони віддаляються від нас, що Всесвіт розширюється. Стівен Хокінг.

4. Кварки не бувають самотні

   Кварки - елементарні частинки, у тому числі складаються протони і нейтрони. Хокінг довів, що існують лише групами і ніколи – по одному. Сила, яка пов'язує кварки, збільшується із збільшенням відстані між ними. Якщо спробувати відтягнути один кварк від іншого, вони лише з більшою силою притягнуться.

5. Теорія стиснення Всесвіту

   Хокінг думав про те, що станеться, коли Всесвіт перестане розширюватись і почне стискатися. Чи піде час у інший бік?

   Мені здавалося, що коли почнеться стиснення, Всесвіт повернеться до впорядкованого стану. У такому разі, з початком стиснення час мало повернути назад. Люди в цій стадії проживали б життя задом наперед і молоділи в міру стиснення Всесвіту. Стівен Хокінг.

   Цей процес показаний у фільмі «Пан Ніхто» з Джаредом Літо у головній ролі.

   Намагання створити математичну модель цієї теорії провалилися, але вона залишається популярною. У Всесвіті лише два варіанти: або нескінченне розширення, або стиск.

6. Існує безліч Всесвітів

   Йдеться про М-теорію, яку Хокінг доопрацьовував із Леонардом Млодіновим. М-теорія – це відгалуження теорії струн. Згідно з цією теорією, на найменшому рівні всі частинки складаються з бран - багатовимірних мембран, властивості яких можуть пояснити абсолютно всі процеси, що відбуваються в нашому Всесвіті.

   До речі, ця теорія також передбачає існування величезної кількості всесвітів, у яких діють фізичні закони, відмінні від наших.

   А цей факт, у свою чергу, передбачає наявність інопланетян. Хокінг у них вірив.

   У Всесвіті зі 100 мільярдами галактик, кожна з яких містить сотні мільйонів зірок, малоймовірно, що Земля є єдиним місцем, де розвивається життя. Стівен Хокінг.

Світобудова не статична. Це підтвердили дослідження астронома Едвіна Хаббла ще 1929 року, тобто майже 90 років тому. На цю думку його навели спостереження за рухом галактик. Ще одним відкриттям астрофізиків на завершення ХХ століття стало обчислення розширення Всесвіту з прискоренням.

Як називають розширення Всесвіту

Дехто дивується, почувши, як вчені називають розширення Всесвіту. Це найменування у більшості пов'язане з економікою, причому з негативними очікуваннями.

Інфляція - це процес розширення Всесвіту відразу після появи, причому з різким прискоренням. У перекладі з англійської "інфляція" - "накачувати", "роздмухувати".

Нові сумніви існування темної енергії як чинника теорії інфляції Всесвіту використовують противники теорії розширення.

Тоді вчені запропонували карту чорних дірок. Початкові дані відрізняються від тих, що були отримані на пізньому етапі:

1. Шістдесят тисяч чорних дірок з відстанню між найдальшими більше одинадцяти мільйонів світлових років - дані чотирирічної давності.
2. Сто вісімдесят тисяч галактик із чорними дірками із видаленням у тринадцять мільйонів світлових років. Дані, отримані вченими, зокрема російськими ядерними фізиками, на початку 2017 року.

Ці відомості, кажуть астрофізики, не суперечать класичній моделі Всесвіту.

Швидкість розширення Всесвіту – завдання для космологів

Швидкість розширення справді є завданням для космологів та астрономів. Правда, про те, що швидкість розширення Всесвіту не має постійного параметра, космологи більше не сперечаються, розбіжності перейшли в іншу площину – коли розширення почало прискорюватись. Дані про кочування в спектрі дуже далеких наднових галактик першого типу доводять, що розширення - це не раптовий процес.

Вчені вважають, що перші п'ять мільярдів років Всесвіт звужувався.

Перші наслідки Великого Вибуху спочатку спровокували потужне розширення, а потім почалося стиснення. Але темна енергія все-таки вплинула на зростання світобудови. Причому із прискоренням.

Американські вчені розпочали створення карти розмірів Всесвіту для різних епох, щоб з'ясувати, коли почалося прискорення. Спостерігаючи вибухи наднових, і навіть напрям концентрації у давніх галактиках, космологи помітили особливості прискорення.

Чому Всесвіт «розганяється»

Спочатку малося на увазі, що в складеній карті значення прискорення не були лінійні, а перетворилися на синусоїду. Її назвали «хвильою Всесвіту».

Хвиля Всесвіту говорить про те, що прискорення не йшло з постійною швидкістю: воно сповільнювалося, то прискорювалося. Причому кілька разів. Вчені вважають, що було сім таких процесів за 13,81 мільярда років після Великого Вибуху.

Однак космологи поки що не можуть відповісти на запитання про те, від чого залежить прискорення-уповільнення. Припущення зводяться до думки, що енергетичне поле, з якого бере початок темна енергія, підпорядковане хвилі Всесвіту. І, переходячи від одного становища до іншого, Всесвіт то розширює прискорення, то сповільнює його.

Незважаючи на переконливість доказів, вони все-таки залишаються наразі теорією. Астрофізики сподіваються, що інформація орбітального телескопа "Планк" підтвердить існування хвилі Всесвіту.

Коли знайшли темну енергію

Вперше про неї заговорили в дев'яності через вибухи наднових. Природа темної енергії невідома. Хоча ще Альберт Ейнштейн виділив космічну постійну у своїй теорії відносності.

У 1916 році, сто років тому, Всесвіт ще вважався незмінним. Але сила тяжіння втрутилася: космічні маси незмінно б вдарилися одна від одної, якби Всесвіт був нерухомий. Ейнштейн повідомляє гравітацію за рахунок космічної сили відштовхування.

Жорж Леметр доведе це через фізику. Вакуум містить енергію. Через її коливань, що призводять до появи частинок та подальшого їх руйнування, енергія набуває сили відштовхування.

Коли Хаббл довів розширення Всесвіту, Ейнштейн назвав нісенітницею.

Вплив темної енергії

Світобудова розсувається із постійною швидкістю. У 1998 році світові представили дані аналізу спалахів наднових першого типу. Було доведено, що Всесвіт розростається все швидше.

Відбувається це через непізнану речовину, її прозвали «темною енергією». З'ясується, що вона займає майже 70% простору Всесвіту. Сутність, якості і природа чорної енергії не вивчені, але її вчені намагаються з'ясувати, чи була вона в інших галактиках.

У 2016 році вирахували точну швидкість розширення на найближче майбутнє, але з'явилася розбіжність: Всесвіт розширюється з більшою швидкістю, ніж раніше припустили астрофізики. У середовищі вчених розгорілися суперечки про існування темної енергії та її вплив на швидкість розширення меж світобудови.

Розширення Всесвіту відбувається без темної енергії

Теорію незалежності процесу розширення Всесвіту від темної енергії висунули вчені на початку 2017 року. Розширення вони пояснюють зміною структури Всесвіту.

Вчені з Будапештського та Гавайського університетів дійшли висновку, що розбіжність розрахунків і реальної швидкості розширення пов'язані зі зміною властивостей простору. Ніхто не враховував, що відбувається з моделлю Всесвіту під час розширення.

Засумнівавшись у існуванні темної енергії, вчені пояснюють: найбільші концентрати матерії Всесвіту впливають її розширення. При цьому решта змісту розподіляється рівномірно. Проте факт залишається неврахованим.

Для демонстрації обґрунтованості своїх припущень вчені запропонували модель міні-всесвіту. Вони представили її у формі набору бульбашок і почали прорахунок параметрів зростання кожної бульбашки зі своєю швидкістю, яка залежить від його маси.

Таке моделювання Всесвіту показало вченим, що він може змінюватися без урахування енергії. А якщо «домішати» темну енергію, то модель не зміниться, вважають вчені.

Загалом, суперечки все ще продовжуються. Прихильники темної енергії кажуть, що вона впливає на розширення кордонів Всесвіту, противники стоять на своєму, стверджуючи, що значення має концентрація матерії.

Швидкість розширення Всесвіту зараз

Вчені переконані, що зростати Всесвіт почав після Великого Вибуху. Тоді, майже чотирнадцять мільярдів років тому, виявилося, що швидкість розширення Всесвіту більша за швидкість світла. І вона продовжує зростати.

У книзі Стівена Хокінга та Леонарда Млодінова «Найкоротша історія часу» зазначається, що швидкість розширення кордонів Всесвіту не може перевищувати 10% за мільярд років.

Щоб визначити, яка швидкість розширення Всесвіту, влітку 2016 року лауреат Нобелівської премії Адам Рісс розрахував відстань до пульсуючих цефеїдів у близьких галактиках. Ці дані дозволили визначити швидкість. З'ясувалося, що галактики на відстані не менше трьох мільйонів світлових років можуть віддалятися зі швидкістю майже 73 км/с.

Результат був дивовижний: орбітальні телескопи, той самий «Планк», говорили про 69 км/с. Чому зафіксована така різниця, вчені не в змозі дати відповідь: їм нічого не відомо про походження темної матерії, на яку спирається теорія розширення Всесвіту.

Темна радіація

Ще один фактор «розгону» Всесвіту виявили астрономи за допомогою «Хаббла». Темне випромінювання, як припускають, з'явилося на початку освіти Всесвіту. Тоді більше у ній було енергії, а чи не матерії.

Темне випромінювання «допомогло» темній енергії розширити межі Всесвіту. Розбіжності у визначенні швидкості прискорення були через невідомість цього випромінювання, вважають вчені.

Подальша робота «Хаббла» має зробити спостереження точнішими.

Таємнича енергія може знищити Всесвіт

Такий сценарій вчені розглядають уже кілька десятиліть, дані космічної обсерваторії «Планк» кажуть, що це далеко не лише припущення. Їх опублікували у 2013 році.

"Планк" завмер "відлуння" Великого вибуху, що з'явилося у віці Всесвіту близько 380 тисяч років, температура склала 2 700 градусів. Причому температура змінювалася. "Планк" визначив і "склад" Всесвіту:

• майже 5% - зірки, космічний пил, космічний газ, галактики;
• майже 27% – маса темної матерії;
• близько 70% – темна енергія.

Фізик Роберт Колдуел припустив, що темна енергія має силу, здатну наростати. І ця енергія роз'єднає простір-час. Галактика віддалятиметься у найближчі двадцять-п'ятдесят мільярдів років, вважає вчений. Цей процес відбуватиметься при наростаючому розширенні кордонів Всесвіту. Це відірве Чумацький Шлях від зірки, і він також розпадеться.

Космосу відміряли близько шістдесяти мільйонів років. Сонце стане карликовою зіркою, що гасне, і від неї відокремляться планети. Після вибухне Земля. У наступні тридцять хвилин простір розірве атоми. Фіналом стане руйнування структури простір-час.

Куди «літає» Чумацький Шлях

Єрусалимські астрономи переконані, що Чумацький Шлях набрав максимальну швидкість, яка вища за швидкість розширення Всесвіту. Вчені пояснюють це прагненням Чумацького Шляху до «Великого Атрактора», що вважається найбільшим. Так Чумацький Шлях йде з космічної пустелі.

Вчені використовують різні методики виміру швидкості розширення Всесвіту, тому немає єдиного результату цього параметра.

І.Гордєєв. О.Горелов. КСЄ. Лекція 4. 1

Лекція 4. Всесвіт, що розширюється.

1/ Походження Всесвіту

2/ Модель Всесвіту, що розширюється.

3/ Еволюція та будова галактик

4/ Астрономія та космонавтика

1 Походження Всесвіту

За всіх часів люди хотіли знати, звідки і яким чином походить світ. Коли культурі панували міфологічні уявлення, походження світу пояснювалося, як, скажімо, у «Ведах» розпадом першолюда Пуруші. Те, що це була загальна міфологічна схема, підтверджується і російськими апокрифами, наприклад, «Блакитною книгою». Перемога християнства утвердила уявлення про створення Богом світу з нічого.

З появою науки в її сучасному розумінні на зміну міфологічним та релігійним приходять наукові уявлення про походження Всесвіту. Слід розділяти три близькі терміни: буття, універсум і Всесвіт. Перший є філософським і означає все існуюче, існуюче. Другий вживається і у філософії, і в науці, не маючи специфічного філософського навантаження (в плані протиставлення буття та свідомості), і позначає все як таке.

Значення терміна Всесвіт вужче і набуло специфічно наукового звучання. Всесвіт - місце вселення людини, доступне емпіричному спостереженню. Поступове звуження наукового значення терміна Всесвіт цілком зрозуміло, тому що природознавство, на відміну від філософії, має справу тільки з тим, що емпірично перевіряється сучасними науковими методами.

Всесвіт загалом вивчає наука, яка називається космологією, тобто наукою про космос. Слово це теж невипадково. Хоча зараз космосом називають все, що знаходиться за межами атмосфери Землі, не так було в Стародавній Греції. Космос тоді приймався як «порядок», «гармонія», на противагу «хаосу» - «безладу». Таким чином, космологія, в основі своєї, як і личить науці, відкриває впорядкованість нашого світу та націлена на пошук законів його функціонування. Відкриття цих законів і є метою вивчення Всесвіту як єдиного впорядкованого цілого.

Це вивчення ґрунтується на кількох передумовах.

По-перше, універсальні закони функціонування світу, що формулюються фізикою, вважаються діючими у всьому Всесвіті.

По-друге, вироблені астрономами спостереження теж визнаються такими, що поширюються на весь Всесвіт. І, по-третє, істинними визнаються ті висновки, які суперечать можливості існування самого спостерігача, т. е. людини (так званий антропний принцип).

Висновки космології називаються моделями походження та розвитку Всесвіту. Чому моделі? Справа в тому, що одним з основних принципів сучасного природознавства є уявлення про можливість проведення в будь-який час керованого та відтворюваного експерименту над об'єктом, що вивчається. Тільки якщо можна провести нескінченну, в принципі, кількість експериментів і всі вони призводять до одного результату, на основі цих експериментів роблять висновок про наявність закону, який підпорядковується функціонуванню даного об'єкта. Лише в цьому випадку результат вважається цілком достовірним з наукового погляду,

До Всесвіту це методологічне правило залишається непридатним. Наука формулює універсальні закони, а Всесвіт унікальний. Це суперечність, яка вимагає вважати всі висновки про походження та розвиток Всесвіту не законами, а лише моделями, тобто можливими варіантами пояснення. Строго кажучи, всі закони та наукові теорії є моделями, оскільки вони можуть бути замінені в процесі розвитку науки іншими концепціями, але моделі Всесвіту як би більшою мірою моделі, ніж багато інших наукових тверджень.

2.Модель Всесвіту, що розширюється.

Найбільш загальноприйнятою в космології є модель однорідного ізотропного нестаціонарного гарячого Всесвіту, що розширюється, побудована на основі загальної теорії відносності та релятивістської теорії тяжіння, створеної Альбертом Ейнштейном в 1916 році.

В основі моделі однорідного ізотропного нестаціонарного гарячого Всесвіту, що розширюється, лежать два припущення:

1) властивості Всесвіту однакові у всіх її точках (однорідність) та напрямках (ізотропність);

2) найкращим відомим описом гравітаційного поля є рівняння Ейнштейна. З цього випливає так звана кривизна простору та зв'язок кривизни із щільністю маси (енергії). Космологія, заснована на цих постулатах, – релятивістська.

Важливим пунктом цієї моделі є її нестаціонарність. Це визначається двома постулатами теорії відносності: 1) принципом відносності, що свідчить, що у всіх інерційних системах всі закони зберігаються незалежно від цього, з якими швидкостями, рівномірно і прямолінійно рухаються ці системи друг щодо друга; 2J експериментально підтвердженим сталістю швидкості світла.

З прийняття теорії відносності випливало як слідство (першим це помітив петроградський фізик і математик Олександр Олександрович Фрідман в 1922 році), що викривлений простір не може бути стаціонарним: він повинен або розширюватися, або стискатися. На цей висновок не було звернено уваги аж до відкриттів американським астрономом Едвіном Хаблом в 1929 так званого «червоного зміщення».

Червоне усунення - це зниження частот електромагнітного зЛученняТЕГ1ідимої частини спектру лінії зміщуються до його червоного кінця. Виявлений раніше ефект Доплера говорив, що з віддаленні від нас будь-якого джерела коливань, сприймається нами частота коливань зменшується, а довжина хвилі відповідно увеличивается. При випромінюванні відбувається «почервоніння», тобто лінії спектру зсуваються у бік довших червоних хвиль.

Так от, для всіх далеких джерел світла червоне усунення було зафіксовано, причому чим далі знаходилося джерело, тим більшою мірою. Червоне усунення виявилося пропорційно відстані до джерела, як і підтверджувало гіпотезу про видалення їх, т. е. про розширення Метагалактики-видимої частини Всесвіту.

Червоне усунення надійно підтверджує теоретичний висновок про нестаціонарність області нашого Всесвіту з лінійними розмірами близько кількох мільярдів парсек протягом щонайменше кількох мільярдів років. У той самий час кривизна простору може бути виміряна, залишаючись теоретичної гіпотезою.

Складовою частиною моделі Всесвіту, що розширюється, є уявлення про Великий Вибух, що стався десь приблизно 12 -18 млрд. років тому. «Спочатку був вибух. Не такий вибух, який знайомий вам на Землі і який починається з певного центру і потім поширюється, захоплюючи все більше і більше простору, а вибух, який стався одночасно скрізь, заповнивши з самого початку весь простір, причому кожна частка матерії кинулася геть від будь-якої інший частки »(Вейнберг С. Перші три хвилини. Сучасний погляд на походження Всесвіту.- М., 1981.- С. 30).

Початковий стан Всесвіту (так звана сингулярна точка): нескінченна щільність маси* нескінченна кривизна простору і вибухове розширення, що сповільнюється з часом, при високій темдературі, при якій могла існувати тільки суміш елементарних частинок (включаючи фотони і нейтрино). Гарячість початкового стану підтверджена відкриттям у 1965 році реліктового випромінювання фотонів та нейтрино, що утворилися на ранній стадії розширення Всесвіту.

Виникає цікаве питання: з чого ж утворився Всесвіт? Чим було те, із чого вона виникла. У Біблії стверджується, що Бог створив усе із нічого. Знаючи, що в класичній науці сформульовані закони збереження матерії та енергії, релігійні філософи сперечалися про те, що означає біблійне «нічого», і деякі на догоду науці вважали, що під нічим мається на увазі початковий матеріальний хаос, упорядкований Богом.

Як це не дивно, сучасна наука допускає (саме. допускає, але не стверджує), що все могло створюватися з нічого. «Нічого» у науковій термінології на§и§дщ: сялакуумом. Вакуум, який фізика XIX століття вважала порожнечею, за сучасними науковими уявленнями є своєрідною формою матерії, здатної за певних умов народжувати речові частинки.

Сучасна квантова механіка припускає (це не суперечить теорії), що вакуум може приходити в «збуджений стан», внаслідок чого в ньому може утворитися поле, а з нього (що підтверджується сучасними фізичними експериментами) – речовина.

Народження Всесвіту «з нічого» означає із сучасної наукової точки зору її мимовільне виникнення з вакууму, коли у відсутності частинок відбувається випадкова флуктуація. Якщо кількість фотонів дорівнює нулю, то напруженість поля не має певного значення (За «принципом невизначеності» Гейзенберга): поле постійно відчуває флуктуації, хоча середнє (спостерігається) значення напруженості дорівнює нулю.

Флуктуація є появою віртуальних частинок, які безперервно народжуються і відразу ж знищуються, але так само беруть участь у взаємодіях, як і реальні частинки. Завдяки флуктуаціям, вакуум набуває особливих властивостей, що проявляються в ефектах, що спостерігаються.

Отже, Всесвіт міг утворитися з «нічого», тобто з «збудженого вакууму». Така гіпотеза, звісно, ​​перестав бути вирішальним підтвердженням існування Бога. Адже все це могло статися відповідно до законів фізики природним шляхом без втручання ззовні будь-яких ідеальних сутностей. І в цьому випадку наукові гіпотези не підтверджують і не спростовують релігійні догми, які лежать по той бік природознавства, що емпірично підтверджується і спростовується.

На цьому дивовижне у сучасній фізиці не закінчується. Відповідаючи на прохання журналіста викласти суть теорії відносності в одній фразі, Ейнштейн сказав: Раніше вважали, що якби з Всесвіту зникла вся матерія, то простір і час збереглися б; теорія відносності стверджує, що з матерією зникли б також простір і час». Перенісши цей висновок на модель Всесвіту, що розширюється, можна зробити висновок, що інУтворення Всесвіту не було ні простору, ні часу.

Зазначимо, що теорія відносності відповідає двом різновидам моделі Всесвіту, що розширюється. У першій їх кривизна простору-часу негативна чи межі дорівнює нулю; у цьому варіанті всі відстані згодом необмежено зростають. У другому різновиді моделі кривизна позитивна, простір звичайно, і в цьому випадку розширення з часом замінюється стисненням. В обох випадках теорія відносності узгоджується з нинішнім емпірично підтвердженим розширенням Всесвіту.

Дозвілий розум неминуче ставить питання: що було тоді, коли був нічого, і що перебуває поза розширення. Перше питання, очевидно, суперечивши сам собою, другий виходить за рамки конкретної науки. Астроном може сказати, що як учений він не має права відповідати на такі питання. Але оскільки вони все ж таки виникають, формулюються і можливі обґрунтування відповідей, які є не лише науковими, скільки натурфілософськими.

Так, проводиться різницю між термінами «нескінченний» і «безмежний». Прикладом нескінченності, яка не безмежна, є поверхня Землі: ми можемо йти по ній нескінченно довго, проте вона обмежена атмосферою зверху і земною корою знизу. Всесвіт також може бути нескінченним, але обмеженим. З іншого боку, відома точка зору, відповідно до якої в матеріальному світі не може бути нічого нескінченного, тому що він розвивається у вигляді кінцевих систем із петлями зворотного зв'язку, якими ці системи створюються в процесі перетворення середовища.

Але залишимо ці міркування області натурфілософії, оскільки у природознавстві зрештою критерієм істини не абстрактні міркування, а емпірична перевірки гіпотез.

Що було після Великого Вибуху? Утворився потік плазми-стану, в якому знаходяться елементарні частинки - щось середнє між твердим і рідким станом, який і почав розширюватися все більше і більше під дією вибухової водни. Через 0,01 сек після початку Великого Вибуху у Всесвіті з'явилася суміш легких ядер (2/3 водню та 1/3 гелію). Як утворилися решта хімічних елементів?

3.Еволюція та будови галактик

Поет питав: «Послухайте! Адже, якщо зірки запалюють-значить – це комусь потрібно? Ми знаємо, що зірки потрібні, щоб світити, і наше Сонце дає необхідну для нашого існування енергію. А навіщо потрібні галактики? Виявляється, і галактики потрібні, і Сонце не тільки забезпечує нас енергією. Астрономічні спостереження показують, що з ядер галактик відбувається безперервне закінчення водню. Таким чином, ядра галактик є заводами з виробництва основного будівельного матеріалу Всесвіту-водню.

Водень, атом якого складається з одного протона в ядрі та одного електрона на його орбіті, є найпростішим «цеглиною», з якого в надрах зірок утворюються в процесі атомних реакцій складніші атоми. Причому виявляється, що зірки зовсім невипадково мають різну величину. Чим більша маса зірки, тим складніші атоми синтезуються у її надрах.

Наше Сонце як звичайна зірка виробляє тільки гелій з водню (який дають ядра галактик), дуже масивні зірки виробляють вуглець - головна «цеглинка» живої речовини. Ось для чого потрібні галактики та зірки. А навіщо потрібна Земля? Вона виробляє всі необхідні речовини для життя людини. А навіщо існує людина? На це питання не може відповісти наука, але вона може змусити нас ще раз замислитись над ним.

Якщо «запалювання» зірок комусь потрібне, то може й людина комусь потрібна? Наукові дані допомагають нам сформулювати уявлення про наше призначення, сенс нашого життя. Звертатися при відповіді ці питання до еволюції Всесвіту - це означає мислити космічно. Природознавство вчить мислити космічно, водночас, не відриваючись від реальності нашого буття.

Питання про утворення та будову галактик – наступне важливе питання походження Всесвіту. Його вивчає не тільки космологія як наука про Всесвіт - єдине ціле, але також і космогонія (грецьк. «гонейа» означає народження) - область науки, в якій вивчається походження та розвиток космічних тіл та їх систем (розрізняють планетну, зоряну, галактичну космогонію) .

Галактика є гігантськими скупченнями зірок та їх систем, що мають свій центр (ядро) і різну, не тільки сферичну, але часто спіралеподібну, еліптичну, сплюснуту або взагалі неправильну форму. Галактик – мільярди, і в кожній із них налічуються мільярди зірок.

Наша галактика називається Чумацький Шлях і складається з 150 млрд. зірок. Вона складається з ядра та кількох спіральних гілок. Її розміри -100 тис. світлових років. Більшість зірок нашої галактики зосереджена в гігантському «диску» завтовшки близько 1500 світлових років. На відстані близько 30 тис. світлових років від центру галактики розташоване Сонце.

Найближча до нашої галактика (до якої світловий промінь біжить 2 млн. років) – «туманність Андромеди». Вона названа так тому, що саме у сузір'ї Андромеди у 1917 році було відкрито перший позагалактичний об'єкт. Його приналежність до іншої галактиці було доведено 1923 року Е. Хабблом, який знайшов шляхом спектрального аналізу у цьому об'єкті зірки. Пізніше було виявлено зірки та інших туманностях.

А в 1963 році були відкриті квазари (квазізоряні радіоджерела) - найпотужніші джерела радіовипромінювання у Всесвіті зі світністю у сотні разів більшої світності галактик та розмірами в десятки разів меншими за них. Було припущено, що квазари являють собою ядра нових галактик і отже процес утворення галактик триває й досі.

4. Астрономія та космонавтика

Зірки вивчає астрономія (від грецьк. «астрій» - зірка та «номос» - закон) - наука про будову та розвиток космічних тіл та їх систем. Ця класична наука переживає у XX столітті свою другу молодість у зв'язку з бурхливим розвитком техніки спостережень - основного свого методу досліджень: телескопів-рефлекторів, приймачів випромінювання (антенн) тощо. діаметром дзеркала 6 м., що збирає світла в мільйони разів більше, ніж людське око.

В астрономії досліджуються радіохвилі, світло, інфрачервоне, ультрафіолетове, рентгенівське випромінювання та гамма-промені. Астрономія ділиться на небесну механіку, радіоастрономію, астрофізику та інші дисципліни.

Особливого значення набуває в даний час астрофізика - частина астрономії, що вивчає фізичні та хімічні явища, що відбуваються в небесних тілах, їх системах та у космічному просторі. На відміну від фізики, основу якої лежить експеримент, астрофізика грунтується головним чином спостереженнях. Але в багатьох випадках умови, в яких знаходиться речовина в небесних тілах і системах, відрізняється від доступних сучасним лабораторіям (надвисокі та наднизькі щільності, висока температура тощо). Завдяки цьому астрофізичні дослідження призводять до відкриття нових фізичних закономірностей.

Власне значення астрофізики визначається тим, що в даний час основна увага в релятивістській космології переноситься на фізику Всесвіту - стан речовини та фізичні процеси, що йдуть на різних стадіях розширення Всесвіту, включаючи найбільш ранні стадії.

Один з основних методів астрофізики – спектральний аналіз. Якщо пропустити промінь білого сонячного світла через вузьку щілину, а потім крізь скляну тригранну призму, він розпадається на складові кольору, і на екрані з'явиться райдужна кольорова смужка з поступовим переходом від червоного до фіолетового - безперервний спектр. Червоний кінець спектра утворений променями, що найменш відхиляються при проходженні через призму, фіолетовий - найбільш відхиляються. Кожному хімічному елементу відповідають певні спектральні лінії, що дозволяє використовувати даний метод вивчення речовин.

На жаль, короткохвильові випромінювання – ультрафіолетові, рентгенівські та гамма-промені – не проходять крізь атмосферу Землі, і тут на допомогу астрономам приходить наука, яка до недавнього часу розглядалася як передусім технічна – космонавтика (від грецьк. «наутике» – мистецтво кораблеводіння) , Що забезпечує освоєння космосу для потреб людства з використанням літальних апаратів

Космонавтика вивчає проблеми: теорії космічних польотів – розрахунки траєкторій тощо; науково-технічні - конструювання космічних ракет, двигунів, бортових систем управління, пускових споруд, автоматичних станцій та пілотованих кораблів, наукових приладів, наземних систем управління польотами, служб траєкторних вимірів, телеметрії, організація та постачання орбітальних станцій та ін.; медико-біологічні - створення бортових систем життєзабезпечення, компенсація несприятливих явищ у людському організмі, пов'язаних з пере-; вантажною, невагомістю, радіацією та ін.

Історія космонавтики починається з теоретичних розрахунків виходу людини в неземний простір, які дав К. Е. Ціолковський у праці «Дослідження світових просторів реактивними (Приладами» (1903 р.)). на рідкому паливі здійснено США 1926 року.

Основними віхами історія космонавтики стали запуск першого штучного супутника Землі 4 жовтня 1957 року, перший політ людини у космос 12 квітня 1961 року, місячна експедиція 1969 року, створення орбітальних пілотованих станцій на навколоземної орбіті, запуск космічного корабля.

Роботи велися паралельно в СРСР та США, але в останні роки намітилося об'єднання зусиль у галузі дослідження космічного простору. У 1995 році здійснено спільний проект "Мир" - "Шаттл", в якому американські кораблі "Шаттл" використовувалися для доставки космонавтів на російську орбітальну станцію "Мир".

Можливість вивчати на орбітальних станціях космічне випромінювання, яке затримується атмосферою Землі, сприяє істотному прогресу в галузі астрофізики.

Природа темної енергії є предметом запеклих суперечок. Відкритий трохи менш як тридцять років тому, невидимий компонент Всесвіту все ще не отримав єдиного пояснення. Настав час розібратися: чому темна енергія викликає стільки проблем і як вчені намагаються її детектувати?

Форма всесвіту

З гарним ступенем точності наш Всесвіт просторово-однорідний і ізотропний – він не містить «особливих» точок і напрямків, щодо яких його властивості змінюються. Такий простір створити непросто: необхідно підтримувати певну щільність енергії всіх компонентів, що до неї входять.

Вже в 1980-х роках вченим була точно відома так звана критична щільність, що забезпечує просторово-плоский Всесвіт. Але отримані результати вимірювання кількості баріонної речовини в галактичних кластерах разом із щільністю, яку міг забезпечити Великий вибух, швидше за вказували на низьку щільність матерії в просторі.

Також про нестачу матерії говорив вік кульових скупчень – вельми немолодих конгломератів зірок. Виявилося, що такі скупчення народилися як мінімум 10 мільярдів років тому: але при спостережуваній кількості речовини після Великого вибуху розширення Всесвіту мало поступово сповільнюватися і в цілому оцінка її віку була меншою. Наш світ виявлявся молодшим, ніж його складові.

Наднові типу Ia

Остаточно переконати вчених у необхідності пошуку нового джерела енергії у Всесвіті змогли наднові типу Iа – зірки, життєвий цикл яких закінчується спалахом, настільки інтенсивним, що його можна спостерігати на Землі.

Дві команди вчених, Supernova Cosmology Project, керівником якого був Сол Перлмуттер, та High-Z Supernova Research Team, очолюваний Браяном Шмідтом, запропонували процедуру використання найпотужніших телескопів у світі для вивчення наднових.

Прорив зробив Марк Філліпс, астроном, що працює в Чилі: він запропонував новий спосіб визначення внутрішньої світності наднових типу Ia, яка безпосередньо пов'язана з відстанню до небесного тіла. З іншого боку, відстань до деяких зірок можна було визначити за допомогою закону Хаббла, що описує зміну довжини хвилі випромінюваних об'єктом фотонів внаслідок розширення Всесвіту.

Виявилося, що наднові в далеких галактиках набагато «блідіші»: їхня світність була значно меншою за передбачену виходячи з відстані, розрахованої за законом Хаббла. Іншими словами, наднові повинні були бути набагато далі: так вчені вперше припустили, що Всесвіт не просто розширюється, а з деяким прискоренням.

Спостереження далеких наднових типу Ia відразу перевернуло уявлення вчених про Всесвіт. Дослідження показали, що близько 70% густини енергії становить новий, невідомий компонент з негативним тиском.

Термін «темна енергія» запропонував пізніше космолог Майкл Тернер, а перед вченими постала нова загадка: пояснити природу її виникнення.

Чи можна пояснити прискорене розширення Всесвіту?

В даний час існують три класи теорій, які претендують на роль темної енергії. Перший варіант постулює наявність енергії у вакууму: по суті це стало поверненням до космологічного постійного, запропонованого Ейнштейном для підтримки статичного Всесвіту. У новому варіанті щільність вакууму однакова у всьому просторі, але не виключається, що вона могла змінюватися з часом.

Другий варіант, який отримав назву квінтесенції, запропонований німецьким фізиком Крістофом Веттеріхом, передбачає наявність нового поля - фактично нових частинок, що вносять внесок у загальну щільність Всесвіту. Енергія таких частинок вже не тільки змінюється з часом, а й у просторі: для того, щоб сильні коливання щільності темної енергії були відсутні, частки мають бути досить легкими. У цьому, мабуть, полягає основна проблема квінтесенції: запропоновані варіанти частинок, згідно з основними принципами сучасної фізики, не можуть бути легкими, а навпаки, набувати значної маси, і на даний момент жодних вказівок на цей сценарій не отримано.

До третій варіант належать різні теорії модифікованої гравітації, у якій взаємодія між масивними об'єктами не підпорядковується стандартним законам Загальної теорії відносності (ОТО). Існує безліч модифікацій гравітації, але до теперішнього часу відхилення від ОТО в експериментах не були виявлені.

Темна енергія, незважаючи на величезний внесок у стан Всесвіту, завзято «ховається» від спостерігачів, і вивчаються лише непрямі прояви її властивостей. Серед них основну роль грають баріонні акустичні осциляції, анізотропія реліктового випромінювання та слабке гравітаційне лінзування.

Баріонні акустичні осциляції

Баріонні акустичні осциляції, або, скорочено, БАО - періодична зміна щільності звичайної, баріонної речовини, що спостерігається, на великих масштабах. У початковій, гарячій космічній плазмі, що складалася з баріонів та фотонів, конкурували два процеси: гравітаційне тяжіння, з одного боку, та відштовхування за рахунок вивільнення енергії при реакціях між речовиною та фотонами – з іншого. Подібне «протистояння» призводило до акустичних коливань, подібно до звукових хвиль у повітрі між областями з різною щільністю.

При охолодженні Всесвіту у певний момент відбулася рекомбінація – окремим часткам стало вигідніше утворювати атоми, а фотони фактично стали «вільними» і відокремилися від речовини. При цьому внаслідок коливань речовина встигла розлетітися на певну відстань, яка називається звуковим горизонтом. Наслідки наявності горизонту нині спостерігаються у розподілі галактик у Всесвіті.

Сам собою звуковий горизонт – величина, що передбачає космологічно. Він безпосередньо залежить від параметра Хаббла, що визначає швидкість розширення Всесвіту, який у свою чергу визначається параметрами темної енергії.

Реліктове випромінювання

Мікрохвильове реліктове випромінювання – далекий «відлуння» Великого вибуху, що рівномірно заповнюють Всесвіт фотони з практично однаковою енергією. Нині саме реліктове випромінювання є основним джерелом обмежень різні космологічні моделі.

Однак, зі збільшенням чутливості інструментів було виявлено, що реліктове випромінювання є анізотропним і має неоднорідності – з якихось напрямків приходить дещо більше фотонів, ніж з інших. Така відмінність у тому числі також спричинена наявністю неоднорідностей у розподілі речовини, і масштаб розподілу «гарячих» та «холодних» плям на небі визначається властивостями темної енергії.

Слабке гравітаційне лінзування

Ще один важливий для дослідження темної енергії ефект – гравітаційне темне лінзування – полягає у відхиленні пучків світла в полі речовини. Лінзування одночасно дозволяє вивчати структуру Всесвіту та її геометрію, тобто форму простору-часу.

Існують різні види гравітаційного лінзування, серед яких найзручнішим для вивчення темної енергії є слабке лінзування за рахунок відхилення світла великомасштабною структурою Всесвіту – це призводить до розмивання зображень далеких галактик.

Темна енергія одночасно впливає як на властивості джерела, наприклад відстань до нього, так і на властивості спотворює картинку простору. Тому слабке лінзування, з урахуванням астрономічних даних, що постійно оновлюються, є подвійно важливим способом постановки обмежень на властивості темної енергії.

Темна енергія – як і раніше, в тіні

Підіб'ємо підсумки, що вдалося дізнатися фізикам за майже тридцятирічний стаж вивчення чорної енергії?

З великою точністю відомо, що темна енергія має негативний тиск: більше того, рівняння залежності тиску від щільності енергії визначено з великою достовірністю, і такими властивостями не має жодна інша відома нам середовище.

Темна енергія просторово-однорідна, а її внесок у густину енергії став домінуючим відносно недавно – близько п'яти мільярдів років тому; при цьому вона впливає одночасно і на відстані між об'єктами та на саму структуру Всесвіту.

Різні космологічні експерименти дозволяють вивчати темну енергію, але нині помилки вимірювання занадто великі, щоб робити точні пророцтва. Поки що вчені ще явно далекі від відповіді на питання про природу темної енергії, яка багато мільярдів років таємно керує пристроєм Всесвіту.

Якщо подивитися на небо ясної місячної ночі, то найяскравішими об'єктами, швидше за все, виявляться планети Венера, Марс, Юпітер і Сатурн. А ще ви побачите цілий розсип зірок, схожих на наше Сонце, але розташованих набагато далі від нас. Деякі з цих нерухомих зірок насправді ледь помітно зміщуються одна щодо одної під час руху Землі навколо Сонця. Вони зовсім не нерухомі! Це відбувається тому, що такі зірки знаходяться порівняно близько до нас. Внаслідок руху Землі навколо Сонця ми бачимо ці ближчі зірки на тлі більш далеких із різних положень. Той самий ефект спостерігається, коли ви їдете на машині, а дерева біля дороги ніби змінюють своє становище на тлі ландшафту, що йде до горизонту (рис. 14). Чим ближче дерева, тим помітніший їхній видимий рух. Така зміна відносного положення називається паралаксом. У випадку із зірками це справжня удача для людства, тому що паралакс дозволяє нам безпосередньо виміряти відстань до них.

Рис. 14. Зірковий паралакс.

Чи рухаєтеся ви по дорозі або в космосі, відносне становище ближніх і далеких тіл змінюється в міру вашого руху. Величина цих змін може бути використана визначення відстані між тілами.

Найближча зірка, Проксима Центавра, віддалена від нас приблизно на чотири світлові роки або сорок мільйонів мільйонів кілометрів. Більшість інших зірок, видимих ​​неозброєним оком, знаходяться за кілька сотень світлових років від нас. Для порівняння: від Землі до Сонця лише вісім світлових хвилин! Зірки розкидані по всьому нічному небу, але особливо густо розсипані в смузі, яку ми називаємо Чумацьким Шляхом. Вже в 1750 р. деякі астрономи висловлювали припущення, що вид Чумацького Шляху можна пояснити, якщо вважати, що більшість видимих ​​зірок зібрано в дископодібну конфігурацію, на кшталт тих, що ми тепер називаємо спіральними галактиками. Лише за кілька десятиліть англійський астроном Вільям Гершель підтвердив справедливість цієї ідеї, ретельно підраховуючи кількість зірок, які видно в телескоп на різних ділянках неба. Проте повне визнання ця ідея отримала лише у ХХ столітті. Тепер ми знаємо, що Чумацький Шлях - наша Галактика - розкинувся від краю до краю приблизно сто тисяч світлових років і повільно обертається; зірки в його спіральних рукавах роблять один оберт навколо центру Галактики за кілька сотень мільйонів років. Наше Сонце - звичайнісінька жовта зірка середніх розмірів - знаходиться у внутрішнього краю одного зі спіральних рукавів. Безперечно, ми пройшли довгий шлях з часів Аристотеля і Птолемея, коли люди вважали Землю центром Всесвіту.

Сучасна картина Всесвіту почала промальовуватися в 1924 р., коли американський астроном Едвін Хаббл довів, що Чумацький Шлях не єдина галактика. Він відкрив, що є безліч інших зіркових систем, розділених великими порожніми просторами. Щоб підтвердити це, Хаббл мав визначити відстань Землі до інших галактик. Але галактики знаходяться так далеко, що на відміну від найближчих зірок, дійсно виглядають нерухомими. Не маючи можливості використовувати паралакс для вимірювання відстаней до галактик, Хабл змушений був застосувати непрямі методи оцінки відстаней. Очевидним заходом відстані до зірки є її яскравість. Але видима яскравість залежить не тільки від відстані до зірки, але також і від світності зірки - кількості світла, що нею випускається. Тьмяна, але близька до нас зірка затьмарить найяскравіше світило з віддаленої галактики. Тому, щоб використовувати видиму яскравість як міру відстані, ми повинні знати світність зірки.

Світність найближчих зірок можна розрахувати за їхньою видимою яскравістю, оскільки завдяки паралаксу ми знаємо відстань до них. Хаббл зауважив, що близькі зірки можна класифікувати за характером світла, що випромінюється ними. Зірки одного класу завжди мають однакову світність. Далі він припустив, що якщо ми виявимо зірки цих класів у далекій галактиці, то їм можна приписати ту ж світність, яку мають подібні зірки поблизу нас. Маючи таку інформацію, неважко обчислити відстань до галактики. Якщо обчислення, зроблені для безлічі зірок в одній і тій же галактиці, дають одну і ту ж відстань, то можна бути впевненим у правильності нашої оцінки. У такий спосіб Едвін Хаббл вирахував відстані до дев'яти різних галактик.

Сьогодні ми знаємо, що зірки, видимі неозброєним оком, становлять незначну частку всіх зірок. Ми бачимо на небі приблизно 5000 зірок - лише близько 0,0001% від числа всіх зірок нашої Галактики, Чумацького Шляху. А Чумацький Шлях - лише одна із понад сотні мільярдів галактик, які можна спостерігати в сучасні телескопи. І кожна галактика містить близько сотні мільярдів зірок. Якби зірка була крупинкою солі, всі зірки, видимі неозброєним оком, вмістилися б у чайній ложці, проте зірки всього Всесвіту склали б кулю діаметром понад тринадцять кілометрів.

Зірки настільки далекі від нас, що здаються крапками, що світяться. Ми не можемо розрізнити їх розмір чи форму. Але, як зауважив Хаббл, є багато різних типів зірок, і ми можемо розрізняти їх за кольором випромінювання. Ньютон виявив, що, якщо сонячне світло пропустити через тригранну скляну призму, воно розкладеться на складові кольору, подібно до веселки (рис. 15). Відносна інтенсивність різних кольорів у випромінюванні, що випускається деяким джерелом світла, називається його спектром. Фокусуючи телескоп на окремій зірці або галактиці, можна дослідити спектр світла, що випромінюється ними.

Рис. 15. Зоряний діапазон.

Аналізуючи спектр випромінювання зірки, можна визначити як її температуру, і склад атмосфери.

У числі іншого випромінювання тіла дозволяє будувати висновки про його температурі. У 1860 р. німецький фізик Густав Кірхгоф встановив, що будь-яке матеріальне тіло, наприклад зірка, будучи нагрітим, випромінює світло або інше випромінювання, подібно до того, як світиться розпечене вугілля. Світіння нагрітих тіл обумовлено тепловим рухом атомів усередині них. Це називається випромінюванням чорного тіла (незважаючи на те, що самі нагріті тіла не є чорними). Спектр чорнотільного випромінювання важко з чимось переплутати: він має характерний вигляд, який змінюється з температурою тіла (рис. 16). Тому випромінювання нагрітого тіла подібно до показань термометра. Спостережуваний нами спектр випромінювання різних зірок завжди нагадує випромінювання чорного тіла, це свого роду повідомлення про температуру зірки.

Рис. 16. Спектр випромінювання чорного тіла.

Всі тіла - а не тільки зірки - випромінюють внаслідок теплового руху складових їх мікроскопічних частинок. Розподіл випромінювання частотою характеризує температуру тіла.

Якщо уважно вивчити зоряне світло, воно повідомить нам ще більше інформації. Ми виявимо відсутність деяких певних кольорів, причому у різних зірок вони будуть різними. І оскільки ми знаємо, що кожен хімічний елемент поглинає характерний для нього набір кольорів, то порівнюючи ці кольори з тими, що відсутні у спектрі зірки, ми зможемо точно визначити, які елементи присутні у її атмосфері.

У 1920 е рр., коли астрономи почали вивчати спектри зірок в інших галактиках, було виявлено щось дуже цікаве: це виявилися ті самі характерні набори відсутніх квітів, що і у зірок у нашій власній галактиці, але всі вони були зміщені до червоного кінця спектру , причому у однаковій пропорції. Фізикам зміщення кольору чи частоти відоме як ефект Доплера.

Ми всі знайомі про те, як це явище впливає на звук. Прислухайтеся до звуку автомобіля, що проїжджає повз вас. Коли він наближається, звук його двигуна або гудка здається вищим, а коли машина вже проїхала повз і стала віддалятися, звук знижується. Поліцейський автомобіль, що їде до нас зі швидкістю сто кілометрів на годину, розвиває приблизно десяту частку швидкості звуку. Звук його сирени є хвилю, чергування гребенів і западин. Нагадаємо, що відстань між найближчими гребенями (або западинами) називається довжиною хвилі. Чим менша довжина хвилі, тим більше коливань досягає нашого вуха кожну секунду і тим вище тон, або частота звуку.

Ефект Доплера викликаний тим, що автомобіль, що наближається, випускаючи кожен наступний гребінь звукової хвилі, буде знаходитися все ближче до нас, і в результаті відстані між гребенями виявляться менше, ніж якби машина стояла на місці. Це означає, що довжини хвиль, що приходять до нас, стають менше, а їх частота - вище (рис. 17). І навпаки, якщо автомобіль видаляється, довжина хвиль, що уловлюються нами, стає більше, а їх частота - нижче. І чим швидше переміщається автомобіль, тим сильніше проявляється ефект Доплера, що дозволяє використовувати його для вимірювання швидкості.

Рис. 17. Ефект Доплера.

Коли джерело, що випромінює хвилі, рухається у напрямку спостерігача, довжина хвиль зменшується. При видаленні джерела вона навпаки збільшується. Це називають ефектом Доплера.

Світло і радіохвилі поводяться так само. Поліція використовує ефект Доплера визначення швидкості автомобілів шляхом вимірювання довжини хвилі відбитого від них радіосигналу. Світло є коливання, або хвилі, електромагнітного поля. Як ми зазначали в гол. 5, довжина хвилі видимого світла надзвичайно мала - від сорока до вісімдесяти мільйонних часток метра.

Людське око сприймає світлові хвилі різної довжини як різні кольори, причому найбільшу довжину мають хвилі, що відповідають червоному кінцю спектру, а найменшу – відносяться до синього кінця. Тепер уявіть собі джерело світла, що знаходиться на постійній відстані від нас, наприклад, зірку, що випромінює світлові хвилі певної довжини. Довжина хвиль, що реєструються, буде такою ж, як у тих, що випускаються. Але припустимо тепер, що джерело світла почало віддалятися від нас. Як і у випадку зі звуком, це призведе до збільшення довжини хвилі світла, а значить, спектр зміститься у бік червоного кінця.

Довівши існування інших галактик, Хаббл у наступні роки займався визначенням відстаней до них та спостереженням їх спектрів. У той час багато хто припускав, що галактики рухаються безладно, і очікували, що число спектрів, зміщених у синій бік, буде приблизно таким самим, як число зміщених у червоний. Тому повною несподіванкою стало відкриття того, що спектри більшості галактик демонструють червоне усунення – майже всі зіркові системи віддаляються від нас! Ще дивовижнішим виявився факт, виявлений Хабблом і оприлюднений 1929 р.: величина червоного усунення галактик не випадкова, а прямо пропорційна їхньої віддаленості від нас. Іншими словами, чим далі від нас галактика, тим швидше вона віддаляється! Звідси випливало, що Всесвіт не може бути статичним, незмінним у розмірах, як вважалося раніше. Насправді вона розширюється: відстань між галактиками постійно зростає.

Усвідомлення того, що Всесвіт розширюється, справило справжню революцію в умах, одну з найбільших у ХХ столітті. Коли озираєшся назад, може здатися дивним, що ніхто не додумався раніше. Ньютон та інші великі уми повинні були зрозуміти, що статичний Всесвіт був би нестабільний. Навіть якщо в якийсь момент вона виявилася б нерухомою, взаємне тяжіння зірок і галактик швидко призвело б до її стиснення. Навіть якби Всесвіт відносно повільно розширювався, гравітація в кінцевому рахунку поклала б кінець її розширенню і викликала б стиснення. Однак, якщо швидкість розширення Всесвіту більша за деяку критичну позначку, гравітація ніколи не зможе його зупинити і Всесвіт продовжить розширюватися вічно.

Тут проглядається віддалена схожість із ракетою, що піднімається з поверхні Землі. При відносно низькій швидкості тяжіння врешті-решт зупинить ракету і почне падати на Землю. З іншого боку, якщо швидкість ракети вища за критичну (більше 11,2 кілометра на секунду), тяжіння не може утримати її і вона назавжди залишає Землю.

Виходячи з теорії тяжіння Ньютона така поведінка Всесвіту могла бути передбачена будь-якої миті в дев'ятнадцятому або вісімнадцятому столітті і навіть наприкінці сімнадцятого століття. Однак віра у статичну Всесвіт була настільки сильна, що помилка зберігала владу над умами до початку двадцятого століття. Навіть Ейнштейн був настільки впевнений у статичності Всесвіту, що в 1915 р. вніс спеціальну поправку до загальної теорії відносності, штучно додавши в рівняння особливий член, який отримав назву космологічної постійної, який забезпечував статичність Всесвіту.
Космологічна стала проявлялася як дія якоїсь нової сили - «антигравітації», яка, на відміну від інших сил, не мала жодного певного джерела, а просто була невід'ємною властивістю, властивою самій тканині простору часу. Під впливом цієї сили простір час виявляв уроджену тенденцію до розширення. Підбираючи величину постійної космологічної, Ейнштейн міг варіювати силу даної тенденції. З її допомогою він зумів точно врівноважити взаємне тяжіння всієї існуючої матерії і отримати в результаті статичну Всесвіт.
Пізніше Ейнштейн відкинув ідею постійної космологічної, визнавши її своєю «найбільшою помилкою». Як ми скоро переконаємося, сьогодні є причини вважати, що врешті-решт Ейнштейн міг все ж таки мати рацію, вводячи космологічну постійну. Але Ейнштейна, мабуть, найбільше пригнічувало те, що він дозволив своїй вірі в нерухомий Всесвіт перекреслити висновок про те, що Всесвіт повинен розширюватися, передбачений його ж власною теорією. Здається, тільки одна людина розглянула це наслідок загальної теорії відносності і прийняла його всерйоз. Поки Ейнштейн та інші фізики шукали, як уникнути нестатичності Всесвіту, російський фізик та математик Олександр Фрідман, навпаки, наполягав на тому, що він розширюється.

Фрідман зробив щодо Всесвіту два дуже простих припущення: що вона однаково виглядає, в якому напрямку ми не дивилися б, і що дане становище вірне, незалежно від того, з якої точки Всесвіту ми дивимося. Спираючись на ці дві ідеї та вирішивши рівняння загальної теорії відносності, він довів, що Всесвіт не може бути статичним. Таким чином, у 1922 р., за кілька років до відкриття Едвіна Хаббла, Фрідман точно передбачив розширення Всесвіту!

Припущення, що Всесвіт виглядає однаково у будь-якому напрямку, не зовсім відповідає дійсності. Наприклад, як ми вже знаємо, зірки нашої Галактики формують на нічному небі виразну світлу смугу - Чумацький Шлях. Але якщо ми подивимося на віддалені галактики, схоже, їх число буде більш-менш рівним у всіх частинах неба. Так що Всесвіт виглядає приблизно однаково в будь-якому напрямку, якщо спостерігати його у великому масштабі порівняно з відстанями між галактиками та ігнорувати відмінності у малих масштабах.

Уявіть собі, що ви у лісі, де дерева ростуть безладно. Подивившись в одному напрямку, ви побачите найближче дерево за метр від себе. В іншому напрямку найближче дерево виявиться на відстані трьох метрів. У третьому ви побачите відразу кілька дерев в одному, двох та трьох метрах від себе. Не схоже, начебто ліс виглядає однаково в будь-якому напрямку. Але якщо взяти до уваги всі дерева в радіусі кілометра, така різниця усередняться і ви побачите, що ліс однаковий по всіх напрямках (рис. 18).

Рис. 18. Ізотропний ліс.

Навіть якщо розподіл дерев у лісі в цілому рівномірний, при найближчому розгляді може виявитися, що вони подекуди ростуть густіше. Так само і Всесвіт не виглядає однаковим у найближчому до нас космічному просторі, тоді як зі збільшенням масштабу ми спостерігаємо однакову картину, у якому напрямі вели спостереження.

Довгий час однорідний розподіл зірок служив достатньою підставою для прийняття Фрідманівської моделі як перший наближення до реальної картини Всесвіту. Але пізніше щасливий випадок виявив ще одне підтвердження того, що припущення Фрідмана напрочуд точно описує Всесвіт. У 1965 р. два американські фізики, Арно Пензіас і Роберт Вільсон з «Белл телефон лабораторіс» у Нью Джерсі, налагоджували дуже чутливий мікрохвильовий приймач. (Мікрохвилями називають випромінювання з довжиною хвилі близько сантиметра.) Пензіаса та Вільсона непокоїло, що приймач реєстрував більший рівень шуму, ніж очікувалося. Вони виявили на антені пташиний послід і усунули інші потенційні причини збоїв, але незабаром вичерпали всі можливі джерела перешкод. Шум відрізнявся тим, що реєструвався цілодобово протягом усього року незалежно від обертання Землі навколо своєї осі та її звернення навколо Сонця. Оскільки рух Землі направляв приймач до різних секторів космосу, Пензіас і Вільсон зробили висновок, що шум приходить з-за меж Сонячної системи і навіть з-за меж Галактики. Здавалося, він ішов однаково з усіх боків космосу. Тепер ми знаємо, що, куди б не був направлений приймач, цей шум залишається незмінним, крім мізерно малих варіацій. Так Пензіас і Вільсон випадково натрапили на вражаючий приклад, що підкріплює першу гіпотезу Фрідмана про те, що Всесвіт однаковий у всіх напрямках.

Яким є походження цього космічного фонового шуму? Приблизно в той же час, коли Пензіас і Вільсон досліджували загадковий шум у приймачі, два американські фізики з Прінстонського університету, Боб Дік і Джим Піблс, теж зацікавилися мікрохвильами. Вони вивчали припущення Георгія (Джорджа) Гамова (у минулому студента Олександра Фрідмана) про те, що на ранніх стадіях розвитку Всесвіт був дуже щільним і розпеченим. Дік і Піблс вважали, що якщо це правда, то ми повинні мати можливість спостерігати свічення раннього Всесвіту, оскільки світло від далеких областей нашого світу приходить до нас тільки зараз. Однак внаслідок розширення Всесвіту це світло має бути настільки сильно зміщене в червоний кінець спектру, що перетвориться з видимого випромінювання на мікрохвильове. Дік і Піблс саме готувалися до пошуків цього випромінювання, коли Пензіас і Вільсон, почувши про їхню роботу, зрозуміли, що вже знайшли його. За цю знахідку Пензіас та Вільсон були у 1978 р. удостоєні Нобелівської премії (що здається дещо несправедливим щодо Діка та Піблса, не кажучи вже про Гамову).

На перший погляд той факт, що Всесвіт виглядає однаково в будь-якому напрямку, свідчить про те, що ми займаємо в ньому якесь особливе місце. Зокрема, може здатися, що якщо всі галактики віддаляються від нас, то ми повинні знаходитися в центрі Всесвіту. Є, однак, інше пояснення цього феномену: Всесвіт може виглядати однаково в усіх напрямках також при погляді з будь-якої іншої галактики. Якщо пам'ятаєте, саме в цьому полягала друга припущення Фрідмана.

Ми не маємо жодних наукових аргументів за або проти другої гіпотези Фрідмана. Століття тому християнська церква визнала б його єретичним, оскільки церковна доктрина постулювала, що ми посідаємо особливе місце у центрі світобудови. Але сьогодні ми приймаємо це припущення Фрідмана з чи не протилежної причини зі свого роду скромності: нам здалося б зовсім дивним, якби Всесвіт виглядав однаково в усіх напрямках тільки для нас, але не для інших спостерігачів у Всесвіті!

У фридманівській моделі Всесвіту всі галактики віддаляються одна від одної. Це нагадує розповзання кольорових плям на поверхні повітряної кулі. Зі зростанням розмірів кулі збільшуються і відстані між будь-якими двома плямами, але при цьому жодна з плям не можна вважати центром розширення. Більше того, якщо радіус повітряної кулі постійно зростає, то чим далі один від одного знаходяться плями на його поверхні, тим швидше вони будуть видалятися при розширенні. Припустимо, що радіус повітряної кулі подвоюється кожну секунду. Тоді дві плями, розділені спочатку відстанню один сантиметр, через секунду виявляться вже з відривом двох сантиметрів друг від друга (якщо вимірювати вздовж поверхні повітряної кулі), отже їх відносна швидкість становитиме один сантиметр на секунду. З іншого боку, пара плям, які були відокремлені десятьма сантиметрами, через секунду після початку розширення розійдуться на двадцять сантиметрів, тому їх відносна швидкість буде десять сантиметрів за секунду (рис. 19). Так само в моделі Фрідмана швидкість, з якою будь-які дві галактики віддаляються одна від одної, пропорційна відстані між ними. Тим самим модель передбачає, що червоне усунення галактики має бути прямо пропорційно її віддаленості від нас - це та сама залежність, яку пізніше виявив Хаббл. Хоча Фрідману вдалося запропонувати вдалу модель і передбачити результати спостережень Хаббла, його робота залишалася майже невідомою на Заході, поки в 1935 р. аналогічна модель була запропонована американським фізиком Говардом Робертсоном і британським математиком Артуром Вокером вже слідами відкритого Хабблом розширення Вселен.

Рис. 19. Всесвіт повітряної кулі, що розширюється.

Внаслідок розширення Всесвіту галактики віддаляються один від одного. З часом відстань між далекими зоряними островами збільшується сильніше, ніж між близькими галактиками, подібно до того як це відбувається з плямами на повітряній кулі, що роздується. Тому спостерігачеві з будь-якої галактики швидкість видалення іншої галактики здається тим більшою, чим далі вона розташована.

Фрідман запропонував лише одну модель Всесвіту. Але при зроблених ним припущеннях рівняння Ейнштейна допускають три класи рішень, тобто існує три різні типи фрідманівських моделей і три різні сценарії розвитку Всесвіту.

Перший клас рішень (той, що знайшов Фрідман) передбачає, що розширення Всесвіту відбувається досить повільно, отже тяжіння між галактиками поступово уповільнює і зрештою зупиняє його. Після цього галактики починають зближуватися, а Всесвіт – стискатися. Відповідно до другого класу рішень Всесвіт розширюється настільки швидко, що гравітація лише трохи сповільнить розбіг галактик, але ніколи не зможе зупинити його. Нарешті, є третє рішення, згідно з яким Всесвіт розширюється саме з такою швидкістю, аби лише уникнути схлопування. Згодом швидкість розльоту галактик стає дедалі менше, але ніколи не сягає нуля.

Дивовижна особливість першої моделі Фрідмана - те, що в ній Всесвіт не нескінченний у просторі, але при цьому ніде у просторі немає жодних меж. Гравітація настільки сильна, що простір згорнуто і замикається він. Це певною мірою схоже з поверхнею Землі, яка теж кінцева, але не має меж. Якщо рухатися поверхнею Землі у певному напрямку, то ніколи не натрапиш на непереборний бар'єр чи край світу, але зрештою повернешся туди, звідки почав шлях. У першій моделі Фрідмана простір влаштований так само, але в трьох вимірах, а не в двох, як у поверхні Землі. Ідея про те, що можна обігнути Всесвіт і повернутися до вихідної точки, хороша для наукової фантастики, але не має практичного значення, оскільки, як можна довести, Всесвіт стиснеться в точку перш, ніж мандрівник повернеться до початку свого шляху. Всесвіт настільки великий, що потрібно рухатися швидше за світло, щоб встигнути закінчити мандрівку там, де ви його почали, а такі швидкості заборонені (теорією відносності. - Перев.). У другій моделі Фрідмана простір також викривлено, але інакше. І лише у третій моделі великомасштабна геометрія Всесвіту плоска (хоча простір викривляється на околиці масивних тіл).

Яка з моделей Фрідмана описує наш Всесвіт? Чи зупиниться колись розширення Всесвіту, і чи зміниться воно стиском, чи Всесвіт буде розширюватися вічно?

Виявилося, що відповісти на це питання важче, ніж спочатку здавалося вченим. Його рішення залежить головним чином від двох речей - швидкості розширення Всесвіту, що спостерігається нині, і його сьогоднішньої середньої щільності (кількості матерії, що припадає на одиницю обсягу простору). Чим вище поточна швидкість розширення, тим більша гравітація, а значить, і щільність речовини, потрібно, щоб зупинити розширення. Якщо середня щільність вище деякого критичного значення (визначається швидкістю розширення), то гравітаційне тяжіння матерії зможе зупинити розширення Всесвіту і змусити його стискатися. Така поведінка Всесвіту відповідає першій моделі Фрідмана. Якщо середня щільність менша від критичного значення, тоді гравітаційне тяжіння не зупинить розширення і Всесвіт буде розширюватися вічно - як у другій фридманівській моделі. Нарешті, якщо середня щільність Всесвіту точно дорівнює критичному значенню, розширення Всесвіту буде вічно сповільнюватися, все ближче підходячи до статичного стану, але ніколи не досягаючи його. Цей сценарій відповідає третій моделі Фрідмана.

То яка модель вірна? Ми можемо визначити нинішні темпи розширення Всесвіту, якщо виміряємо швидкість віддалення від нас інших галактик, використовуючи ефект Доплера. Це можна зробити дуже точно. Однак відстані від галактик відомі не дуже добре, оскільки ми можемо вимірювати їх тільки побічно. Тому нам відомо лише те, що швидкість розширення Всесвіту становить від 5 до 10% за мільярд років. Ще більш розпливчасті наші знання про нинішню середню щільність Всесвіту. Так, якщо ми складемо маси всіх видимих ​​зірок у нашій та інших галактиках, сума буде менше сотої частки того, що потрібно для зупинення розширення Всесвіту, навіть за найнижчої оцінки швидкості розширення.

Але це далеко ще не все. Наша та інші галактики повинні містити велику кількість «темної матерії», яку ми не можемо спостерігати безпосередньо, але про існування якої ми знаємо завдяки її гравітаційному впливу на орбіти зірок у галактиках. Можливо, найкращим свідченням існування темної матерії є орбіти зірок на периферії спіральних галактик, подібних до Чумацького Шляху. Ці зірки обертаються навколо своїх галактик занадто швидко, щоб їх могло утримувати на орбіті тяжіння лише видимих ​​зірок галактики. Крім того, більшість галактик входять до складу скупчень, і ми можемо аналогічно зробити висновок про присутність темної матерії між галактиками в цих скупченнях за її впливом на рух галактик. Фактично кількість темної матерії у Всесвіті значно перевищує кількість звичайної речовини. Якщо зважити на всю темну матерію, ми отримаємо приблизно десяту частину від тієї маси, яка необхідна для зупинки розширення.

Не можна, однак, виключати існування інших, ще не відомих нам форм матерії, розподілених майже рівномірно всюди у Всесвіті, що могло б підвищити її середню щільність. Наприклад, існують елементарні частинки, які називаються нейтрино, які дуже слабо взаємодіють з речовиною і які надзвичайно важко виявити.

(В одному з нових нейтринних експериментів використовується підземний резервуар, заповнений 50 тисяч тонн води.) Вважається, що нейтрино невагомі і тому не викликають гравітаційного тяжіння.

Однак дослідження кількох останніх років свідчать, що нейтрино все ж таки володіє мізерно малою масою, яку раніше не вдавалося зафіксувати. Якщо нейтрино мають масу, вони можуть бути однією з форм темної матерії. Тим не менш, навіть з урахуванням такої темної матерії, у Всесвіті, схоже, набагато менше речовини, ніж необхідно для зупинення її розширення. Донедавна більшість фізиків сходилося на тому, що найближче до реальності друга модель Фрідмана.

Але потім з'явилися нові спостереження. За останні кілька років різні групи дослідників вивчали дрібну бриж того мікрохвильового фону, який виявили Пензіас і Вільсон. Розмір цієї брижі може бути індикатором великомасштабної структури Всесвіту. Її характер, схоже, показує, що Всесвіт все-таки плоский (як у третій моделі Фрідмана)! Але оскільки сумарної кількості звичайної та темної матерії для цього недостатньо, фізики постулювали існування іншої, поки що не виявленої, субстанції – темної енергії.

І начебто для того, щоб ще більше ускладнити проблему, нещодавні спостереження показали, що розширення Всесвіту не сповільнюється, а прискорюється. Попри всі моделі Фрідмана! Це дуже дивно, оскільки присутність у просторі речовини – високої чи низької щільності – може лише уповільнювати розширення. Адже гравітація завжди діє як сила тяжіння. Прискорення космологічного розширення - це все одно, що бомба, яка збирає, а не розсіює енергію після вибуху. Яка сила відповідальна за розширення космосу, що прискорюється? Ніхто не має надійної відповіді на це питання. Однак, можливо, Ейнштейн таки мав рацію, коли ввів у свої рівняння космологічну постійну (і відповідний їй ефект антигравітації).

З розвитком нових технологій і появою чудових космічних телескопів ми почали раз у раз дізнаватися про Всесвіт дивовижні речі. І ось хороша новина: тепер нам відомо, що Всесвіт продовжить найближчим часом розширюватися з постійно зростаючою швидкістю, а час обіцяє тривати вічно, принаймні для тих, кому вистачить розсудливості не потрапити в чорну дірку. Але що ж було в перші миті? Як починався Всесвіт, і що змусило його розширюватися?