Вселенная

Чтобы узнать о других значениях, см. Вселенная (значения) .

Вселенная

На изображении Хаббла в сверхглубоком поле показаны некоторые из самых удаленных галактик , видимых с помощью современных технологий (диагональ составляет ~ 1/10 видимого Луны ). диаметра
Возраст (в рамках модели ΛCDM )	13,787 ± 0,020 миллиарда лет
Диаметр	Неизвестный. Наблюдаемая Вселенная : 8,8 × 10. 26 м (28,5 Г пк или 93 Гли )
Масса (обычная материя)	минимум 10 53 кг
Средняя плотность (с энергией )	9.9 × 10 −27 кг/м 3
Средняя температура	2,725 48   К ( -270,4 °C , -454,8 °F )
Основное содержание	Обычная (барионная) материя (4,9%) Темная материя (26,8%) Темная энергия (68,3%)
Форма	Флэт с погрешностью 4‰

Вселенная состоит из пространства и времени и их содержание. Оно включает в себя все существование , любое фундаментальное взаимодействие , физический процесс и физическую константу , и, следовательно, все формы энергии и материи , а также структуры, которые они образуют, от субатомных частиц до целых галактических нитей . Пространство и время, согласно преобладающей космологической теории Большого взрыва , возникли вместе 13,787 ± 0,020 миллиарда лет назад. и с тех пор Вселенная расширяется . Сегодня Вселенная расширилась до возраста и размера, физически наблюдаемых только в некоторых частях, таких как наблюдаемая Вселенная составляет примерно 93 миллиарда световых лет , диаметр которой в настоящее время , в то время как пространственный размер всей Вселенной, если таковой имеется, составляет неизвестный.

Некоторые из самых ранних космологических моделей Вселенной были разработаны древнегреческими и индийскими философами и были геоцентрическими , находилась Земля . в центре которых На протяжении веков более точные астрономические наблюдения привели Николая Коперника к разработке гелиоцентрической модели с Солнцем в центре Солнечной системы . Разрабатывая закон всемирного тяготения , Исаак Ньютон опирался на работы Коперника, а также Иоганна Кеплера и на законы движения планет наблюдения Тихо Браге .

Дальнейшие улучшения наблюдений привели к пониманию того, что Солнце — одна из нескольких сотен миллиардов звезд Млечного Пути , одной из нескольких сотен миллиардов галактик в наблюдаемой Вселенной. У многих звезд в галактике есть планеты . В самом большом масштабе галактики распределены равномерно и одинаково во всех направлениях, а это означает, что Вселенная не имеет ни края, ни центра. В меньших масштабах галактики распределены в скоплениях и сверхскоплениях , которые образуют огромные волокна и пустоты в космосе, создавая обширную пеноподобную структуру. Открытия начала 20-го века позволили предположить, что Вселенная имела начало и с тех пор расширяется.

Согласно теории Большого взрыва, изначально присутствующие энергия и материя стали менее плотными по мере расширения Вселенной. После первоначального ускоренного расширения, называемого инфляционной эпохой , примерно в 10 г. ⁻³² секунд и разделения четырех известных фундаментальных сил , Вселенная постепенно остыла и продолжила расширяться, позволяя первым субатомным частицам и простым атомам сформироваться . Гигантские облака водорода и гелия постепенно притягивались к местам, где материя была наиболее плотной , образуя первые галактики, звезды и все остальное, наблюдаемое сегодня.

Изучая влияние гравитации как на материю, так и на свет, было обнаружено, что Вселенная содержит гораздо больше материи , чем приходится на видимые объекты; звезды, галактики, туманности и межзвездный газ. Эта невидимая материя известна как темная материя . ( темный цвет означает, что существует широкий спектр убедительных косвенных доказательств его существования, но мы еще не обнаружили его напрямую), возникший вместе с остальной физической вселенной, прежде чем постепенно собраться в пенообразную структуру из нитей и пустот. и позволяя другим формам материи формироваться вместе в видимые структуры. Модель ΛCDM является наиболее широко распространенной моделью Вселенной. Это предполагает, что около 69,2% ± 1,2% массы и энергии во Вселенной — это темная энергия , ответственная за ускорение расширения Вселенной , и около 25,8% ± 1,1% — темная материя. Таким образом, обычная (« барионная ») материя составляет лишь 4,84% ± 0,1% физической Вселенной. Звезды, планеты и видимые газовые облака составляют лишь около 6% обычной материи.

Существует множество конкурирующих гипотез о конечной судьбе Вселенной и о том, что предшествовало Большому взрыву, в то время как другие физики и философы отказываются строить предположения, сомневаясь, что информация о предшествующих состояниях когда-либо будет доступна. Некоторые физики выдвинули различные гипотезы мультивселенной , согласно которым Вселенная может быть одной из многих.

Определение

Продолжительность: 50 секунд. 0:50

Космический телескоп Хаббл : галактики сверхглубокого поля в поле наследия, уменьшение масштаба
(видео 00:50; 2 мая 2019 г.)

Физическая вселенная определяется как все пространство и время. (совместно называемые пространством-временем ) и их содержание. Такое содержимое включает в себя всю энергию в ее различных формах, включая электромагнитное излучение и материю , и, следовательно, планеты, луны , звезды, галактики и содержимое межгалактического пространства . Вселенная также включает в себя физические законы , влияющие на энергию и материю, такие как законы сохранения , классическая механика и теория относительности .

Вселенную часто определяют как «совокупность существования» или все , что существует, все, что существовало, и все, что будет существовать. Фактически, некоторые философы и ученые поддерживают включение идей и абстрактных концепций, таких как математика и логика, в определение Вселенной. Слово « вселенная» может также относиться к таким понятиям, как космос , мир и природа .

Этимология

Слово « вселенная» происходит от старофранцузского слова «univers» , которое, в свою очередь, происходит от латинского слова «universus» , что означает «объединенный в одно». Латинское слово «universum» использовалось Цицероном и более поздними латинскими авторами во многих смыслах, в которых современное английское слово. используется

Синонимы

Термином для обозначения вселенной среди древнегреческих философов, начиная с Пифагора , было τὸ πᾶν ( tò pân ) «все», определяемое как вся материя и все пространство, и τὸ ὅλον ( tò hólon ) «все вещи», которые не обязательно включали в себя пустота. Другим синонимом был ὁ κόσμος ( ho kósmos ), что означает « мир , космос ». Синонимы встречаются и у латинских авторов ( целый , мир , природа ) и выжить в современных языках, например, в немецких словах Das All , Weltall и Natur для обозначения вселенной . В английском языке встречаются одни и те же синонимы, такие как Everything (как в теории всего ), космос (как в космологии ), мир (как в многомировой интерпретации ) и природа (как в законах природы или натуральной философии). ).

Хронология и Большой взрыв

Основные статьи: Большой взрыв и хронология Вселенной

Преобладающей моделью эволюции Вселенной является теория Большого взрыва. Модель Большого взрыва утверждает, что самое раннее состояние Вселенной было чрезвычайно горячим и плотным, а затем Вселенная расширялась и охлаждалась. Модель основана на общей теории относительности и на упрощающих предположениях, таких как однородность и изотропия пространства. Версия модели с космологической постоянной (лямбда) и холодной темной материей , известная как модель Lambda-CDM , является простейшей моделью, которая обеспечивает достаточно хорошее объяснение различных наблюдений за Вселенной. Модель Большого взрыва учитывает такие наблюдения, как корреляция расстояний и красного смещения галактик, соотношение числа атомов водорода и гелия, а также фон микроволнового излучения.

На этой схематической диаграмме время течет слева направо, при этом Вселенная в любой момент времени представлена ​​дискообразным «срезом». Время и размер не в масштабе. Чтобы сделать ранние стадии видимыми, время до стадии послесвечения (на самом деле первые 0,003%) растягивается, а последующее расширение (на самом деле в 1100 раз по сравнению с настоящим) в значительной степени подавляется.

Начальное горячее, плотное состояние называется эпохой Планка , кратким периодом, простирающимся от нуля времени до одной планковской единицы времени, равной примерно 10 ⁻⁴³ секунды. В эпоху Планка все типы материи и все виды энергии были сосредоточены в плотном состоянии, а гравитация — в настоящее время самая слабая из четырех известных взаимодействий — считается такой же сильной, как и другие фундаментальные силы, и все силы, возможно, были объединены . Физика, контролирующая этот очень ранний период (включая квантовую гравитацию в эпоху Планка), не понятна, поэтому мы не можем сказать, что произошло до нулевого времени , если вообще что-то произошло . Начиная с эпохи Планка, Вселенная расширялась до своих нынешних масштабов, с очень коротким, но интенсивным периодом космической инфляции , который, как предполагается, произошел в течение первых 10 лет. ⁻³² секунды. Этот начальный период инфляции мог бы объяснить, почему пространство кажется очень плоским и однородным в масштабах, гораздо больших , чем в противном случае мог бы путешествовать свет с момента зарождения Вселенной.

В течение первой доли секунды существования Вселенной четыре фундаментальные силы разделились. Поскольку Вселенная продолжала остывать из своего непостижимо горячего состояния, различные типы субатомных частиц смогли сформироваться за короткие периоды времени, известные как эпоха кварков , эпоха адронов и эпоха лептонов . Вместе эти эпохи охватывали менее 10 секунд времени после Большого взрыва. Эти элементарные частицы стабильно объединялись во все более крупные комбинации, включая стабильные протоны и нейтроны , которые затем образовывали более сложные атомные ядра посредством ядерного синтеза .

Этот процесс, известный как нуклеосинтез Большого взрыва , длился около 17 минут и завершился примерно через 20 минут после Большого взрыва, поэтому происходили только самые быстрые и простые реакции. Около 25% протонов и всех нейтронов во Вселенной по массе были преобразованы в гелий с небольшим количеством дейтерия ( разновидность водорода ) и следами лития . Любой другой элемент образовывался лишь в очень малых количествах. Остальные 75% протонов остались незатронутыми, как и ядра водорода .

После завершения нуклеосинтеза Вселенная вступила в период, известный как фотонная эпоха . В этот период Вселенная была еще слишком горячей для того, чтобы материя могла образовывать нейтральные атомы , поэтому она содержала горячую, плотную, туманную плазму из отрицательно заряженных электронов , нейтральных нейтрино и положительных ядер. Примерно через 377 000 лет Вселенная достаточно остыла, чтобы электроны и ядра могли образовать первые стабильные атомы . это известно как рекомбинация По историческим причинам ; электроны и ядра впервые объединились. В отличие от плазмы, нейтральные атомы прозрачны для многих длин волн света, поэтому впервые Вселенная также стала прозрачной. Фотоны, высвободившиеся (« развязанные ») при образовании этих атомов, можно увидеть и сегодня; они образуют космический микроволновый фон (CMB).

По мере расширения Вселенной плотность энергии уменьшается электромагнитного излучения быстрее, чем плотность энергии материи , поскольку энергия каждого фотона уменьшается по мере его космологического красного смещения . Примерно через 47 000 лет плотность энергии материи стала больше, чем у фотонов и нейтрино , и начала доминировать в крупномасштабном поведении Вселенной. Это ознаменовало конец эры доминирования радиации и начало эры доминирования материи .

На самых ранних стадиях существования Вселенной крошечные колебания плотности Вселенной приводили к концентраций . темной материи постепенному формированию Обычная материя, притянутая к ним под действием гравитации , образовала большие газовые облака и, в конечном итоге, звезды и галактики, где темная материя была наиболее плотной, и пустоты , где она была наименее плотной. Примерно через 100–300 миллионов лет образовались первые звезды , известные как Населения III звезды . Вероятно, они были очень массивными, светящимися, неметаллическими и недолговечными. Они были ответственны за постепенную реионизацию Вселенной примерно в период от 200–500 миллионов лет до 1 миллиарда лет, а также за засеивание Вселенной элементами тяжелее гелия посредством звездного нуклеосинтеза .

Вселенная также содержит загадочную энергию (возможно, скалярное поле) , называемую темной энергией , плотность которой не меняется со временем. Примерно через 9,8 миллиардов лет Вселенная расширилась настолько, что плотность материи стала меньше плотности темной энергии, что ознаменовало начало нынешней эры доминирования темной энергии . В эту эпоху расширение Вселенной ускоряется за счет темной энергии.

Физические свойства

Основные статьи: Наблюдаемая Вселенная , Возраст Вселенной и Метрическое расширение пространства.

Из четырех фундаментальных взаимодействий гравитация является доминирующей на астрономических масштабах. Эффекты гравитации кумулятивны; напротив, эффекты положительных и отрицательных зарядов имеют тенденцию нейтрализовать друг друга, что делает электромагнетизм относительно незначительным в астрономических масштабах длины. Остальные два взаимодействия, слабое и сильное ядерные силы , очень быстро уменьшаются с расстоянием; их эффекты ограничиваются в основном субатомными масштабами длин.

Кажется, что во Вселенной гораздо больше материи , чем антиматерии , и эта асимметрия, возможно, связана с CP-нарушением . Этот дисбаланс между материей и антиматерией частично ответственен за существование всей материи, существующей сегодня, поскольку материя и антиматерия, если бы они образовались в равной степени при Большом взрыве , полностью уничтожили бы друг друга и оставили бы только фотоны в результате своего взаимодействия. Кроме того, Вселенная, по-видимому, не имеет ни чистого импульса , ни углового момента , за чем следуют отсутствия. из общепринятых физических законов, если Вселенная конечна. Этими законами являются закон Гаусса и нерасходимость псевдотензора напряжения-энергии-импульса .

Размер и регионы

Смотрите также: Наблюдательная космология

Телевизионные сигналы , транслируемые с Земли, никогда не достигнут краев этого изображения.

Согласно общей теории относительности, дальние области космоса могут никогда не взаимодействовать с нашей даже при жизни Вселенной из-за конечной скорости света и продолжающегося расширения пространства . Например, радиосообщения, отправленные с Земли, могут никогда не достичь некоторых регионов космоса, даже если Вселенная будет существовать вечно: пространство может расширяться быстрее, чем свет может пересечь его.

Пространственная область, которую можно наблюдать в телескопы, называется наблюдаемой Вселенной и зависит от местоположения наблюдателя. Правильное расстояние — расстояние, измеренное в определенное время, включая настоящее, — между Землей и краем наблюдаемой Вселенной, составляет 46 миллиардов световых лет. (14 миллиардов парсеков ), что делает диаметр наблюдаемой Вселенной около 93 миллиардов световых лет (28 миллиардов парсеков). Расстояние, которое прошел свет от края наблюдаемой Вселенной, очень близко к возрасту Вселенной, умноженному на скорость света, и составляет 13,8 миллиардов световых лет (4,2 × 10 ^) . ⁹ пк), но это не отражает расстояние в любой момент времени, поскольку с тех пор край наблюдаемой Вселенной и Земля раздвинулись дальше.

Для сравнения: диаметр типичной галактики составляет 30 000 световых лет (9 198 парсеков ), а типичное расстояние между двумя соседними галактиками — 3 миллиона световых лет (919,8 килопарсеков). Например, Млечный Путь имеет диаметр примерно 100 000–180 000 световых лет. а ближайшая к Млечному Пути сестринская галактика, Галактика Андромеды , расположена примерно в 2,5 миллионах световых лет от нас.

Поскольку люди не могут наблюдать пространство за пределами наблюдаемой Вселенной, неизвестно, является ли размер Вселенной в целом конечным или бесконечным. По оценкам, вся Вселенная, если она конечная, должна быть более чем в 250 раз больше сферы Хаббла . Некоторые спорные оценки общего размера Вселенной, если они конечны, достигают $10^{10^{10^{122}}}$ мегапарсеков, как это подразумевается в предложенной резолюции « Предложения об отсутствии границ» .

Возраст и расширение

Основные статьи: Возраст Вселенной и Расширение Вселенной

Если предположить, что модель Lambda-CDM верна, измерения параметров с использованием различных методов в ходе многочисленных экспериментов дают наилучшее значение возраста Вселенной - 13,799 ± 0,021 миллиарда лет по состоянию на 2015 год.

Астрономы обнаружили в галактике Млечный Путь звезды возрастом почти 13,6 миллиардов лет.

Со временем Вселенная и ее содержимое развивались. Например, относительная численность квазаров и галактик. изменилась и Вселенная расширилась . Об этом расширении можно судить по наблюдению того, что свет от далеких галактик сместился в красную сторону , а это означает, что галактики удаляются от нас. Анализ сверхновых типа Ia показывает, что расширение ускоряется .

Чем больше материи во Вселенной, тем сильнее взаимное гравитационное притяжение материи. Если бы Вселенная была слишком плотной, она бы вновь схлопнулась в гравитационную сингулярность . Однако если бы Вселенная содержала слишком мало материи, то самогравитация была бы слишком слабой для формирования астрономических структур, таких как галактики или планеты. Со времени Большого взрыва Вселенная монотонно расширялась . Возможно, неудивительно , что наша Вселенная имеет правильную плотность массы и энергии , эквивалентную примерно 5 протонам на кубический метр, что позволило ей расширяться в течение последних 13,8 миллиардов лет, давая время сформировать Вселенную, наблюдаемую сегодня.

На частицы во Вселенной действуют динамические силы, которые влияют на скорость расширения. До 1998 года ожидалось, что скорость расширения со временем будет уменьшаться из-за влияния гравитационных взаимодействий во Вселенной; и, таким образом, во Вселенной существует дополнительная наблюдаемая величина, называемая параметром замедления , который большинство космологов ожидали положительным и связанным с плотностью материи Вселенной. В 1998 году две разные группы измерили параметр замедления и оказался отрицательным, примерно -0,55, что технически означает, что вторая производная космического масштабного фактора ${\ddot {a}}$ был положительным в течение последних 5–6 миллиардов лет.

Пространство-время

Основные статьи: Пространство-время и Мировая линия

Смотрите также: преобразование Лоренца

Современная физика рассматривает события как организованные в пространстве-времени . Эта идея возникла из специальной теории относительности , которая предсказывает, что если один наблюдатель видит два события, происходящие в разных местах одновременно, второй наблюдатель, движущийся относительно первого, увидит, что эти события происходят в разное время. Два наблюдателя расходятся во мнениях относительно времени $T$ между событиями, и они разойдутся во мнениях относительно расстояния $D$ разделяя события, но они сойдутся со скоростью света $c$, и они будут измерять одно и то же значение для комбинации $c^{2}T^{2}-D^{2}$. Квадратный корень из абсолютного значения этой величины называется интервалом между двумя событиями. Интервал выражает, насколько далеко разделены события не только в пространстве или времени, но и в совокупности пространства-времени.

Специальная теория относительности не может объяснить гравитацию . Ее преемница, общая теория относительности , объясняет гравитацию, признавая, что пространство-время не фиксировано, а динамично. В общей теории относительности сила гравитации переосмысливается как искривление пространства-времени . Искривленная траектория, подобная орбите, — это не результат силы, отклоняющей тело от идеальной прямой траектории, а скорее попытка тела свободно упасть через фон, который сам искривлен присутствием других масс. Замечание Джона Арчибальда Уиллера , ставшее пословицей среди физиков, резюмирует теорию: «Пространство-время говорит материи, как двигаться; материя говорит пространству-времени, как искривляться». и поэтому нет смысла рассматривать одно без другого. Ньютоновская теория гравитации является хорошим приближением к предсказаниям общей теории относительности, когда гравитационные эффекты слабы и объекты движутся медленно по сравнению со скоростью света.

Связь между распределением материи и кривизной пространства-времени задается уравнениями поля Эйнштейна , которых требуется тензорное исчисление . для выражения Решения этих уравнений включают в себя не только пространство-время специальной теории относительности, пространство-время Минковского , но и пространство-время Шварцшильда , которые описывают черные дыры ; FLRW пространство-время , описывающее расширяющуюся Вселенную; и более.

Вселенная представляется гладким пространственно-временным континуумом, состоящим из трех пространственных измерений и одного временного ( временного ) измерения. Следовательно, событие в пространстве-времени физической вселенной может быть идентифицировано набором из четырех координат: ( x , y , z , t ) . В среднем пространство оказывается почти плоским (с кривизной , близкой к нулю), а это означает, что евклидова геометрия эмпирически верна с высокой точностью на большей части Вселенной. Пространство-время также, по-видимому, имеет односвязную топологию по аналогии со сферой, по крайней мере, в масштабе наблюдаемой Вселенной. Однако нынешние наблюдения не могут исключить возможности того, что Вселенная имеет больше измерений (что постулируется такими теориями, как теория струн ) и что ее пространство-время может иметь многосвязную глобальную топологию по аналогии с цилиндрической или тороидальной топологией двумерных тел. пространства .

Форма

Основная статья: Форма Вселенной

Три возможных варианта формы Вселенной

Общая теория относительности описывает, как пространство-время искривляется и изгибается под действием массы и энергии (гравитации). Топология , или геометрия Вселенной включает в себя как локальную геометрию наблюдаемой Вселенной так и глобальную геометрию . Космологи часто работают с заданным пространственно-подобным фрагментом пространства-времени, называемым сопутствующими координатами . Часть пространства-времени, которую можно наблюдать, представляет собой обратный световой конус , ограничивающий космологический горизонт . Космологический горизонт, также называемый горизонтом частиц или световым горизонтом, представляет собой максимальное расстояние, с которого частицы могли пройти к наблюдателю в эпоху существования Вселенной . Этот горизонт представляет собой границу между наблюдаемыми и ненаблюдаемыми областями Вселенной. Существование, свойства и значение космологического горизонта зависят от конкретной космологической модели .

Важным параметром, определяющим будущую эволюцию теории Вселенной, является параметр плотности Омега (Ом), определяемый как средняя плотность материи Вселенной, деленная на критическое значение этой плотности. При этом выбирается одна из трех возможных геометрий в зависимости от того, равно ли Ω 1, меньше или больше 1. Их называют соответственно плоской, открытой и закрытой вселенными.

Наблюдения, в том числе с помощью Cosmic Background Explorer (COBE), микроволнового зонда анизотропии Уилкинсона (WMAP) и карт CMB Планка , предполагают, что Вселенная бесконечна по протяженности и имеет конечный возраст, как описано Фридманом-Леметром-Робертсоном-Уокером. (FLRW) модели. Таким образом, эти модели FLRW поддерживают инфляционные модели и стандартную модель космологии, описывающую плоскую , однородную Вселенную, в которой в настоящее время доминируют темная материя и темная энергия .

Поддержка жизни

Основная статья: Точно настроенная вселенная

Гипотеза точно настроенной Вселенной — это предположение, что условия, которые позволяют существование наблюдаемой жизни во Вселенной, могут возникнуть только тогда, когда определенные универсальные фундаментальные физические константы лежат в очень узком диапазоне значений. Согласно этой гипотезе, если бы какая-либо из нескольких фундаментальных констант отличалась лишь незначительно, Вселенная вряд ли способствовала бы возникновению и развитию материи , астрономических структур, разнообразия элементов или жизни в ее понимании. Правда ли это и имеет ли вообще смысл задавать этот вопрос, являются предметом многочисленных споров. Это предложение обсуждается среди философов , учёных , богословов и сторонников креационизма .

Состав

См. Также: Формирование и эволюция галактик , Скопление галактик и Туманность.

Вселенная почти полностью состоит из темной энергии, темной материи и обычной материи . Другие компоненты — это электромагнитное излучение (по оценкам, оно составляет от 0,005% до почти 0,01% общей массы-энергии Вселенной) и антиматерия .

Пропорции всех видов материи и энергии менялись на протяжении истории Вселенной. Общее количество электромагнитного излучения, генерируемого во Вселенной, уменьшилось на половину за последние 2 миллиарда лет. Сегодня обычная материя, включающая атомы, звезды, галактики и жизнь , составляет лишь 4,9% содержимого Вселенной. Нынешняя общая плотность материи этого типа очень низка, примерно 4,5 × 10 ⁻³¹ граммов на кубический сантиметр, что соответствует плотности порядка одного протона на каждые четыре кубических метра объема. Природа как темной энергии, так и темной материи неизвестна. Темная материя, загадочная форма материи, которая еще не идентифицирована, составляет 26,8% космического содержимого. Темная энергия, которая представляет собой энергию пустого пространства и вызывает ускорение расширения Вселенной, составляет оставшиеся 68,3% содержимого.

Образование кластеров и крупномасштабных нитей в модели холодной темной материи с темной энергией . На кадрах показана эволюция структур в поле размером 43 миллиона парсеков (или 140 миллионов световых лет) от красного смещения 30 до современной эпохи (верхний левый z=30 до нижнего правого z=0).

сверхскоплений и войдов . Карта ближайших к Земле

Материя, темная материя и темная энергия равномерно распределены по Вселенной на протяжении более 300 миллионов световых лет или около того. Однако на более коротких масштабах материя имеет тенденцию сгущаться иерархически; многие атомы конденсируются в звезды , большинство звезд — в галактики, большинство галактик — в скопления, сверхскопления и, наконец, в крупномасштабные галактические нити . Наблюдаемая Вселенная содержит около 2 триллионов галактик. и в целом около 10 ²⁴ звезды – больше звезд (и планет земного типа), чем всех песчинок на планете Земля ; но меньше общего числа атомов во Вселенной, оцененного в 10 ⁸² ; и предполагаемое общее количество звезд в раздувающейся Вселенной (наблюдаемых и ненаблюдаемых) как 10 ¹⁰⁰ . Типичные галактики варьируются от карликов , насчитывающих всего десять миллионов (10 ⁷ ) звезд до гигантов с одним триллионом (10 ¹² ) звезды. Между более крупными структурами находятся пустоты , диаметр которых обычно составляет 10–150 Мпк (33–490 миллионов световых лет). Млечный Путь находится в Местной группе галактик, которая, в свою очередь, находится в сверхскоплении Ланиакея . Это сверхскопление охватывает более 500 миллионов световых лет, а Местная группа - более 10 миллионов световых лет. Во Вселенной также есть обширные области относительной пустоты; Размер крупнейшей из известных пустот составляет 1,8 миллиарда световых лет (550 Мпк).

Сравнение содержимого Вселенной сегодня и через 380 000 лет после Большого взрыва, измеренное с помощью 5-летних данных WMAP (с 2008 г.). Из-за ошибок округления сумма этих чисел не равна 100%. Это отражает ограничения способности WMAP определять темную материю и темную энергию в 2008 году.

Наблюдаемая Вселенная изотропна в масштабах, значительно больших, чем сверхскопления, а это означает, что статистические свойства Вселенной одинаковы во всех направлениях, наблюдаемых с Земли. Вселенная окутана высокоизотропным микроволновым излучением , которое соответствует спектру теплового равновесия черного тела примерно 2,72548 кельвинов . Гипотеза о том, что крупномасштабная Вселенная однородна и изотропна, известна как космологический принцип . Вселенная, которая является одновременно однородной и изотропной, выглядит одинаково со всех точек зрения. и не имеет центра.

Темная энергия

Основная статья: Темная энергия

Объяснение того, почему расширение Вселенной ускоряется, остается неясным. Его часто приписывают «темной энергии», неизвестной форме энергии, которая, как предполагается, пронизывает пространство. На основе эквивалентности массы и энергии плотность темной энергии (~ 7 × 10 ⁻³⁰ г/см ³ ) намного меньше плотности обычной материи или темной материи внутри галактик. Однако в нынешнюю эпоху темной энергии она доминирует над массой-энергией Вселенной, поскольку она однородна во всем пространстве.

Двумя предложенными формами темной энергии являются космологическая постоянная , постоянная плотность энергии, однородно заполняющая пространство. и скалярные поля , такие как квинтэссенция или модули , динамические величины, плотность энергии которых может меняться во времени и пространстве, но при этом проникать в достаточной степени, чтобы вызвать наблюдаемую скорость расширения. В космологическую постоянную обычно включаются и вклады скалярных полей, постоянных в пространстве. Космологическую постоянную можно сформулировать как эквивалент энергии вакуума . Скалярные поля, имеющие лишь небольшую пространственную неоднородность, было бы трудно отличить от космологической постоянной.

Темная материя

Основная статья: Темная материя

Темная материя — это гипотетический вид материи , невидимый для всего электромагнитного спектра , но на долю которого приходится большая часть материи во Вселенной. О существовании и свойствах темной материи можно судить по ее гравитационному воздействию на видимую материю, излучение и крупномасштабную структуру Вселенной. За исключением нейтрино , формы горячей темной материи , темная материя не была обнаружена напрямую, что делает ее одной из величайших загадок современной астрофизики . Темная материя не излучает и не поглощает свет или любое другое электромагнитное излучение на каком-либо значительном уровне. По оценкам, темная материя составляет 26,8% от общей массы-энергии и 84,5% от всей материи во Вселенной.

Обычное дело

Основная статья: Материя

Остальные 4,9% массы-энергии Вселенной — это обычная материя, то есть атомы , ионы , электроны и объекты, которые они образуют. В эту материю входят звезды , которые производят почти весь свет, который мы видим от галактик, а также межзвездный газ в межзвездной и межгалактической среде, планеты и все объекты повседневной жизни, с которыми мы можем столкнуться, потрогать или сжать. Подавляющее большинство обычной материи во Вселенной невидимо, поскольку видимые звезды и газ внутри галактик и скоплений составляют менее 10 процентов вклада обычной материи в плотность массы и энергии Вселенной.

Обычное вещество обычно существует в четырех состояниях (или фазах ): твердое , жидкое , газообразное и плазма . Однако достижения в экспериментальных методах выявили другие ранее теоретические фазы, такие как конденсаты Бозе-Эйнштейна и фермионные конденсаты .

Обычная материя состоит из двух типов элементарных частиц : кварков и лептонов . Например, протон состоит из двух верхних и одного нижнего кварка ; нейтрон состоит из двух нижних кварков и одного верхнего кварка; а электрон — это своего рода лептон. Атом состоит из атомного ядра , состоящего из протонов и нейтронов (оба являются барионами ), и электронов, вращающихся вокруг ядра. Поскольку большая часть массы атома сосредоточена в его ядре, состоящем из барионов, астрономы часто используют термин « барионная материя» для описания обычной материи, хотя небольшую часть этой «барионной материи» составляют электроны.

Вскоре после Большого взрыва образовались первичные протоны и нейтроны из кварк-глюонной плазмы ранней Вселенной, остывшей ниже двух триллионов градусов, . Несколько минут спустя в процессе, известном как нуклеосинтез Большого взрыва , ядра образовались из первичных протонов и нейтронов. В результате нуклеосинтеза образовались более легкие элементы с небольшими атомными номерами вплоть до лития и бериллия , но содержание более тяжелых элементов резко падало с увеличением атомного номера. Некоторое количество бора , возможно, образовалось в это время, но следующий более тяжелый элемент, углерод , не образовался в значительных количествах. Нуклеосинтез Большого Взрыва прекратился примерно через 20 минут из-за быстрого падения температуры и плотности расширяющейся Вселенной. Последующее образование более тяжелых элементов произошло в результате звездного нуклеосинтеза и нуклеосинтеза сверхновых .

Частицы

Стандартная модель элементарных частиц: 12 фундаментальных фермионов и 4 фундаментальных бозона. Коричневые петли указывают, какие бозоны (красные) соединяются с какими фермионами (фиолетовыми и зелеными). Столбцы – это три поколения материи (фермионы) и одно поколение сил (бозоны). В первых трех столбцах две строки содержат кварки и два лептона. Столбцы двух верхних строк содержат верхние (u) и нижние (d) кварки, очаровательные (c) и странные (s) кварки, верхние (t) и нижние (b) кварки, а также фотон (γ) и глюон (g). , соответственно. Столбцы в двух нижних строках содержат электронное нейтрино (ν _e ) и электрон (e), мюонное нейтрино (ν _μ ) и мюон (μ), тау-нейтрино (ν _τ ) и тау (τ), а также Z ⁰ и Вт ^± носители слабой силы. Для каждой частицы указаны масса, заряд и спин.

Основная статья: Физика элементарных частиц

Обычную материю и силы, действующие на нее, можно описать с помощью элементарных частиц . Эти частицы иногда называют фундаментальными, поскольку они имеют неизвестную субструктуру и неизвестно, состоят ли они из меньших и даже более фундаментальных частиц. В большинстве современных моделей они рассматриваются как точки в пространстве. Все элементарные частицы в настоящее время лучше всего объясняются квантовой механикой и демонстрируют корпускулярно-волновой дуализм : их поведение имеет как корпускулярный, так и волновой аспекты, причем в разных обстоятельствах доминируют разные особенности.

Центральное значение имеет Стандартная модель — теория, изучающая электромагнитные взаимодействия, а также слабые и сильные ядерные взаимодействия. Стандартная модель поддерживается экспериментальным подтверждением существования частиц, составляющих материю: кварков и лептонов и соответствующих им двойников « антиматерии », а также силовых частиц, которые опосредуют взаимодействия : фотона , W- и Z-бозонов и глюон ​ . Стандартная модель предсказала существование недавно открытого бозона Хиггса — частицы, которая является проявлением поля во Вселенной, которое может наделять частицы массой. Из-за успеха в объяснении широкого спектра экспериментальных результатов Стандартную модель иногда называют «теорией почти всего». Однако Стандартная модель не учитывает гравитацию. Истинная «теория всего» сила-частица еще не создана.

Адроны

Основная статья: Адрон

Адрон — это сложная частица , состоящая из кварков , удерживаемых вместе сильным взаимодействием . Адроны делятся на два семейства: барионы (например, протоны и нейтроны ), состоящие из трех кварков, и мезоны (например, пионы ), состоящие из одного кварка и одного антикварка . Из адронов стабильны протоны и нейтроны, связанные внутри атомных ядер. Другие адроны нестабильны в обычных условиях и поэтому являются незначительными составляющими современной Вселенной.

Примерно с 10 ⁻⁶ Через несколько секунд после Большого взрыва , в течение периода, известного как адронная эпоха , температура Вселенной упала достаточно, чтобы позволить кваркам связываться вместе в адроны, и в массе Вселенной доминировали адроны . Первоначально температура была достаточно высокой, чтобы обеспечить образование пар адрон-антиадрон, которые удерживали вещество и антивещество в тепловом равновесии . Однако, поскольку температура Вселенной продолжала падать, пары адрон-антиадрон больше не образовывались. Большая часть адронов и антиадронов затем была уничтожена в реакциях аннигиляции частица-античастица , оставив небольшой остаток адронов к тому времени, когда Вселенной исполнилось около одной секунды.

Лептоны

Основная статья: Лептон

Лептон — это элементарная частица со спином полуцелого числа , которая не испытывает сильных взаимодействий, но подчиняется принципу Паули ; никакие два лептона одного и того же вида не могут одновременно находиться в одном и том же состоянии. Существуют два основных класса лептонов: заряженные лептоны (также известные как электроноподобные лептоны) и нейтральные лептоны (более известные как нейтрино ). Электроны — стабильные и наиболее распространенные заряженные лептоны во Вселенной, тогда как мюоны и тау-лептоны — нестабильные частицы, которые быстро распадаются после образования в результате столкновений с высокими энергиями , например, с участием космических лучей или в ускорителях частиц . Заряженные лептоны могут объединяться с другими частицами, образуя различные сложные частицы, такие как атомы и позитроний . Электрон химическими управляет почти всей химией , поскольку он находится в атомах и напрямую связан со всеми свойствами . Нейтрино редко с чем-либо взаимодействуют и, следовательно, редко наблюдаются. Нейтрино движутся по всей Вселенной, но редко взаимодействуют с обычной материей.

Лептонная эпоха — период эволюции ранней Вселенной, когда лептоны доминировали в массе Вселенной. Это началось примерно через 1 секунду после Большого взрыва , после того как большинство адронов и антиадронов аннигилировали друг друга в конце адронной эпохи . В эпоху лептонов температура Вселенной была еще достаточно высокой, чтобы создавать пары лептон-антилептон, поэтому лептоны и антилептоны находились в тепловом равновесии. Примерно через 10 секунд после Большого взрыва температура Вселенной упала до такой степени, что пары лептон-антилептон больше не создавались. Большинство лептонов и антилептонов затем удалялись в реакциях аннигиляции , оставляя небольшой остаток лептонов. В массе Вселенной тогда доминировали фотоны , когда она вступила в следующую фотонную эпоху .

Фотоны

Основная статья: Эпоха фотонов

См. также: Фотино

Фотон — это и всех квант света других форм электромагнитного излучения . Это носитель электромагнитной силы . Эффекты этой силы легко наблюдать на микроскопическом и макроскопическом уровне, поскольку фотон имеет нулевую массу покоя ; на расстоянии это позволяет общаться .

Эпоха фотонов началась после того, как большинство лептонов и антилептонов были аннигилированы в конце эпохи лептонов, примерно через 10 секунд после Большого взрыва. Атомные ядра были созданы в процессе нуклеосинтеза, который происходил в первые несколько минут фотонной эпохи. До конца фотонной эпохи Вселенная содержала горячую плотную плазму из ядер, электронов и фотонов. Примерно через 380 000 лет после Большого взрыва температура Вселенной упала до такой степени, что ядра могли объединяться с электронами, образуя нейтральные атомы. В результате фотоны перестали часто взаимодействовать с материей, и Вселенная стала прозрачной. Фотоны этого периода с сильным красным смещением образуют космический микроволновый фон. Крошечные изменения температуры и плотности, обнаруживаемые в реликтовом излучении, были ранними «семенами», из которых все последующее структурирование . произошло

Космологические модели

Модель Вселенной на основе общей теории относительности

Основная статья: Решения уравнений поля Эйнштейна

См. Также: Большой взрыв и окончательная судьба Вселенной.

Общая теория относительности — это геометрическая теория гравитации , опубликованная Альбертом Эйнштейном в 1915 году и современное описание гравитации в современной физике . Это основа современных космологических моделей Вселенной. Общая теория относительности обобщает специальную теорию относительности и закон всемирного тяготения Ньютона , обеспечивая единое описание гравитации как геометрического свойства пространства и времени или пространства-времени. В частности, кривизна пространства-времени напрямую связана с энергией и импульсом любой материи и излучения . присутствующей

Связь задается уравнениями поля Эйнштейна , системой уравнений в частных производных . В общей теории относительности распределение материи и энергии определяет геометрию пространства-времени, которая, в свою очередь, описывает ускорение материи. Следовательно, решения уравнений поля Эйнштейна описывают эволюцию Вселенной. В сочетании с измерениями количества, типа и распределения материи во Вселенной уравнения общей теории относительности описывают эволюцию Вселенной с течением времени.

В предположении космологического принципа , что Вселенная везде однородна и изотропна, конкретным решением уравнений поля, описывающих Вселенную, является метрический тензор , называемый метрикой Фридмана-Леметра-Робертсона-Уокера :

$ds^{2}=-c^{2}dt^{2}+R(t)^{2}\left({\frac {dr^{2}}{1-kr^{2}}}+r^{2}d\theta ^{2}+r^{2}\sin ^{2}\theta \,d\phi ^{2}\right)$

где ( r , θ, φ) соответствуют сферической системе координат . Эта метрика имеет только два неопределенных параметра. Общий безразмерный длины масштабный коэффициент R описывает размер Вселенной как функцию времени (увеличение R - это расширение Вселенной ), а индекс кривизны k описывает геометрию. Индекс k определен так, что он может принимать только одно из трех значений: 0, соответствующее плоской евклидовой геометрии ; 1, соответствующий пространству положительной кривизны ; или -1, соответствующий пространству положительной или отрицательной кривизны. Значение R как функция времени t зависит от k и космологической постоянной Λ . Космологическая постоянная представляет собой плотность энергии космического вакуума и может быть связана с темной энергией. Уравнение, описывающее, как R изменяется со временем, известно как уравнение Фридмана в честь его изобретателя Александра Фридмана .

Решения для R(t) зависят от k и Λ , но некоторые качественные особенности таких решений являются общими. Во-первых, и это наиболее важно, масштаб длины R Вселенной может оставаться постоянным только в том случае, если Вселенная совершенно изотропна с положительной кривизной ( k =1) и имеет везде одно точное значение плотности, как впервые заметил Альберт Эйнштейн . Однако это равновесие неустойчиво: если бы плотность в любом месте немного отличалась от нужного значения, разница со временем усиливалась бы.

существовала гравитационная сингулярность Во-вторых, все решения предполагают, что в прошлом , когда R равнялось нулю, а материя и энергия были бесконечно плотными. Может показаться, что этот вывод неопределенен, поскольку он основан на сомнительных предположениях об идеальной однородности и изотропии (космологический принцип) и о том, что значимо только гравитационное взаимодействие. Однако теоремы Пенроуза – Хокинга об особенностях показывают, что особенность должна существовать при очень общих условиях. Следовательно, согласно уравнениям поля Эйнштейна, R быстро выросло из невообразимо горячего и плотного состояния, которое существовало сразу после этой сингулярности (когда R имело небольшое конечное значение); в этом суть Большого Взрыва модели Вселенной . Понимание сингулярности Большого взрыва, вероятно, требует квантовой теории гравитации , которая еще не сформулирована.

В-третьих, индекс кривизны k определяет знак кривизны пространственных поверхностей постоянного времени. усреднено по достаточно большим масштабам длины (более примерно миллиарда световых лет ). Если k =1, кривизна положительна и Вселенная имеет конечный объем. Вселенную с положительной кривизной часто представляют как трехмерную сферу, встроенную в четырехмерное пространство. И наоборот, если k равно нулю или отрицательно, Вселенная имеет бесконечный объем. Может показаться нелогичным, что бесконечная и в то же время бесконечно плотная Вселенная может быть создана в один момент, когда R = 0, но именно это и предсказывается математически, когда k неположительно и космологический принцип выполняется. По аналогии, бесконечная плоскость имеет нулевую кривизну, но бесконечную площадь, тогда как бесконечный цилиндр конечен в одном направлении, а тор конечен в обоих. Тороидальная Вселенная могла бы вести себя как нормальная Вселенная с периодическими граничными условиями .

Конечная судьба Вселенной до сих пор неизвестна, поскольку она критически зависит от индекса кривизны k и космологической постоянной Λ . Если бы Вселенная была достаточно плотной, k было бы равно +1, что означает, что ее средняя кривизна положительна и Вселенная в конечном итоге снова схлопнется в результате Большого сжатия . возможно, начало новой вселенной в Большом Отскоке . И наоборот, если бы Вселенная была недостаточно плотной, k было бы равно 0 или -1, и Вселенная расширялась бы вечно, остывая и в конечном итоге достигая Большого замораживания и тепловой смерти Вселенной . Современные данные позволяют предположить, что расширение Вселенной ускоряется ; если это ускорение будет достаточно быстрым, Вселенная может в конечном итоге достичь Большого Разрыва . С точки зрения наблюдений Вселенная кажется плоской ( k = 0) с общей плотностью, очень близкой к критическому значению между повторным коллапсом и вечным расширением.

Гипотезы мультивселенной

Основные статьи: Мультивселенная , Интерпретация многих миров и Теория пузырьковой вселенной.

Смотрите также: Вечная инфляция

Некоторые спекулятивные теории предполагают, что наша Вселенная — это всего лишь одна из множества несвязанных вселенных, совместно называемых мультивселенной , бросающих вызов или расширяющих более ограниченные определения Вселенной. Научные модели мультивселенной отличаются от таких концепций, как альтернативные планы сознания и моделируемая реальность .

Макс Тегмарк из четырех частей разработал схему классификации для различных типов мультивселенных, которую ученые предложили в ответ на различные проблемы физики . Примером таких мультивселенных является модель хаотической инфляции ранней Вселенной. Другой вариант — мультивселенная, возникшая в результате многомировой интерпретации квантовой механики. В этой интерпретации параллельные миры генерируются аналогично квантовой суперпозиции и декогеренции , при этом все состояния волновых функций реализуются в отдельных мирах. По сути, в многомировой интерпретации мультивселенная развивается как универсальная волновая функция . Если бы Большой взрыв, создавший нашу мультивселенную, создал ансамбль мультивселенных, волновая функция ансамбля была бы запутанной в этом смысле. Можно ли извлечь из этой картины научно значимые вероятности, было и продолжает оставаться темой многочисленных споров, и существует множество версий интерпретации многих миров. (Вопрос интерпретации квантовой механики в целом отмечен разногласиями.)

Наименее спорной, но все же весьма спорной категорией мультивселенной в схеме Тегмарка является Уровень I. Мультивселенные этого уровня состоят из далеких пространственно-временных событий «в нашей собственной вселенной». Тегмарк и др. утверждали, что, если пространство бесконечно или достаточно велико и однородно, идентичные случаи в истории всего объема Хаббла Земли происходят время от времени, просто случайно. Тегмарк подсчитал, что нашему ближайшему так называемому двойнику 10 лет. ^{10 115} метрах от нас ( двойная экспоненциальная функция, большая, чем гуголплекс ). Однако использованные аргументы носят умозрительный характер. Кроме того, было бы невозможно научно подтвердить существование идентичного объема Хаббла.

Можно представить себе несвязанные пространства-времени, каждое из которых существует, но не может взаимодействовать друг с другом. Легко визуализируемая метафора этой концепции — группа отдельных мыльных пузырей , в которой наблюдатели, живущие на одном мыльном пузыре, не могут взаимодействовать с наблюдателями на других мыльных пузырях даже в принципе. Согласно одной общепринятой терминологии, каждый «мыльный пузырь» пространства-времени обозначается как Вселенная , тогда как конкретное пространство-время человека обозначается как Вселенная . Земли Луной точно так же, как люди называют луну . Вся совокупность этих отдельных пространств-временей обозначается как мультивселенная.

Используя эту терминологию, разные вселенные не причинно-следственной связью . связаны друг с другом В принципе, другие несвязанные вселенные могут иметь разные размерности и топологии пространства-времени, разные формы материи и энергии , а также разные физические законы и физические константы , хотя такие возможности являются чисто умозрительными. Другие считают, что каждый из нескольких пузырей, созданных в результате хаотической инфляции, является отдельными вселенными , хотя в этой модели все эти вселенные имеют общее причинное происхождение.

Исторические концепции

См. также: Космология , Хронология космологических теорий , Николай Коперник § Коперниканская система и Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica § Начало научной революции.

Исторически сложилось множество представлений о космосе (космологии) и его происхождении (космогонии). Теории безличной вселенной, управляемой физическими законами, были впервые предложены греками и индийцами. Древняя китайская философия включала в себя представление о Вселенной, включающей как все пространство, так и все время. На протяжении веков усовершенствования астрономических наблюдений и теорий движения и гравитации привели к еще более точному описанию Вселенной. Современная эра космологии началась с Альберта Эйнштейна 1915 года общей теории относительности , которая позволила количественно предсказать происхождение, эволюцию и существование Вселенной в целом. Большинство современных общепринятых теорий космологии основаны на общей теории относительности и, в частности, на предсказанном Большом взрыве .

Мифологии

Основные статьи: Миф о сотворении мира , Космогония и Религиозная космология.

Во многих культурах есть истории, описывающие происхождение мира и вселенной . Культуры обычно считают, что в этих историях есть доля правды . Однако существует множество различных представлений о том, как эти истории применяются среди тех, кто верит в сверхъестественное происхождение: от бога, непосредственно создающего вселенную такой, какая она есть сейчас, до бога, просто приводящего «колеса в движение» (например, с помощью таких механизмов, как Большой взрыв и эволюция).

Этнологи и антропологи, изучающие мифы, разработали различные схемы классификации различных тем, фигурирующих в историях сотворения мира. Например, в одном типе историй мир рождается из мирового яйца ; такие истории включают финскую эпическую поэму «Калевала» , китайскую историю о Пангу или индийскую «Брахманда-пурану» . В связанных историях вселенная создана единым существом, эманирующим или производящим что-то само по себе, как в концепции тибетского буддизма об Ади-Будде , древнегреческой истории о Гайе (Матери-Земле), об ацтекской богине Коатликуэ мифе , история древнего египетского бога Атума и иудео-христианское повествование о сотворении мира , в котором авраамический Бог создал вселенную. В историях другого типа вселенная создается в результате союза мужских и женских божеств, как в истории маори о Ранги и Папе . В других историях вселенная создается путем создания ее из ранее существовавших материалов, таких как труп мертвого бога — как Тиамат в вавилонском эпосе «Энума Элиш» или из гиганта Имира в скандинавской мифологии — или из хаотических материалов, как в Идзанаги и Идзанами в японской мифологии . В других историях Вселенная исходит из фундаментальных принципов, таких как Брахман и Пракрити , творении Сереров миф о , или Инь и Дао Ян .

Философские модели

Дополнительная информация: Космология.

См. также: Досократическая философия , Физика (Аристотель) , Индуистская космология , Исламская космология и Философия пространства и времени.

Досократовские греческие философы и индийские философы разработали некоторые из самых ранних философских концепций Вселенной. Самые ранние греческие философы отмечали, что внешность может быть обманчивой, и стремились понять реальность, лежащую в основе видимости. В частности, они отметили способность материи менять формы (например, лед — воду, пар), а некоторые философы предположили, что все физические материалы в мире представляют собой различные формы единого первичного материала, или архе . Первым это сделал Фалес , который предположил, что этим веществом является вода . Ученик Фалеса Анаксимандр предположил, что всё произошло из безграничного апейрона . Анаксимен предположил, что первородным материалом является воздух из-за его воспринимаемых притягательных и отталкивающих качеств, которые заставляют арку уплотняться или распадаться на различные формы. Анаксагор предложил принцип Нуса (Разума), а Гераклит предложил огонь (и говорил о логосе ). Эмпедокл предложил стихиями землю, воду, воздух и огонь. Его четырехэлементная модель стала очень популярной. Как и Пифагор , Платон считал, что все вещи состоят из число , при этом элементы Эмпедокла принимают форму Платоновых тел . Демокрит и более поздние философы, особенно Левкипп , предположили, что Вселенная состоит из неделимых атомов , движущихся через пустоту ( вакуум ), хотя Аристотель не верил, что это осуществимо, потому что воздух, как и вода, оказывает сопротивление движению . Воздух тут же устремится, чтобы заполнить пустоту, причем без сопротивления он сделает это бесконечно быстро.

Хотя Гераклит выступал за вечные перемены, его современник Парменид подчеркивал неизменность. В стихотворении Парменида « О природе» говорится, что все изменения — это иллюзия, что истинная основная реальность вечно неизменна и имеет единую природу, или, по крайней мере, что существенная черта каждой вещи, которая существует, должна существовать вечно, не имея начала. измениться или закончиться. Его ученик Зенон Элейский бросил вызов повседневным представлениям о движении, приведя несколько знаменитых парадоксов . Аристотель ответил на эти парадоксы, развив понятие потенциальной счетной бесконечности, а также бесконечно делимого континуума. В отличие от вечных и неизменных циклов времени, он считал, что мир ограничен небесными сферами и что совокупная звездная величина лишь конечно мультипликативна.

Индийский философ Канада , основатель школы Вайшешика , развил понятие атомизма и предположил, что свет и тепло являются разновидностями одного и того же вещества. В V веке нашей эры буддийский философ- атомист Дигнага предположил, что атомы имеют точечный размер, бессмертны и состоят из энергии. Они отрицали существование материальной материи и предполагали, что движение состоит из мгновенных вспышек потока энергии.

Идея временного финитизма была вдохновлена ​​доктриной творения, разделяемой тремя авраамическими религиями : иудаизмом , христианством и исламом . Христианский философ Иоанн Филопон представил философские аргументы против древнегреческого понятия бесконечного прошлого и будущего. Аргументы Филопона против бесконечного прошлого использовались ранним мусульманским философом Аль -Кинди (Алкиндом); еврейский философ Саадия Гаон (Саадия бен Джозеф); и богослов мусульманский Аль-Газали (Алгазель).

Пантеизм — это философская религиозная вера в то, что сама Вселенная идентична божественности и высшему существу или сущности. Таким образом, физическая вселенная понимается как всеобъемлющее, имманентное божество. Термин «пантеист» обозначает того, кто считает, что все представляет собой единство и что это единство божественно, состоящее из всеобъемлющего, проявленного бога или богини . Пантеистические концепции возникли тысячи лет назад, и пантеистические элементы были выявлены в различных религиозных традициях.

Астрономические концепции

Основные статьи: История астрономии и Хронология астрономии

Расчеты Аристарха в III веке до нашей эры относительно относительных размеров Солнца, Земли и Луны (слева направо) из греческой копии X века нашей эры.

Самые ранние письменные упоминания о предшественниках современной астрономии происходят из Древнего Египта и Месопотамии примерно с 3000 по 1200 год до нашей эры . Вавилонские астрономы VII века до нашей эры рассматривали мир как плоский диск , окруженный океаном. и это формирует предпосылку для ранних греческих карт, таких как карты Анаксимандра и Гекатея Милетского .

Более поздние греческие философы, наблюдая за движением небесных тел, были озабочены разработкой моделей Вселенной, более глубоко основанных на эмпирических данных . Первая последовательная модель была предложена Евдоксом Книдским , учеником Платона, который следовал идее Платона о том, что небесные движения должны быть круговыми. Чтобы учесть известные сложности движения планет, особенно ретроградное движение , модель Евдокса включала 27 различных небесных сфер : по четыре для каждой из планет, видимых невооруженным глазом, по три для Солнца и Луны и одну. для звезд. Центром всех этих сфер была Земля, которая оставалась неподвижной, пока вращалась вечно. Аристотель развил эту модель, увеличив количество сфер до 55, чтобы учесть дальнейшие детали движения планет. Для Аристотеля нормальная материя целиком находилась в пределах земной сферы и подчинялась принципиально иным правилам, чем небесный материал .

В постаристотелевском трактате «De Mundo» (авторство и дата которого не установлены) говорится: «Пять элементов, расположенных в сферах в пяти регионах, причем меньший из них в каждом случае окружен большим, а именно: земля окружена водой, вода воздухом, воздух огнем и огонь эфиром — составляют всю вселенную».

Эта модель была также уточнена Каллиппом и после того, как от концентрических сфер отказались, она была приведена в почти полное соответствие с астрономическими наблюдениями Птолемея . Успех такой модели во многом обусловлен тем математическим фактом, что любую функцию (например, положение планеты) можно разложить на набор круговых функций ( мод Фурье ). Другие греческие ученые, такие как пифагорейский философ Филолай , постулировали (согласно рассказу Стобея ), что в центре Вселенной находился «центральный огонь», вокруг которого Земля , Солнце , Луна и планеты вращались в равномерном круговом движении.

Греческий астроном Аристарх Самосский был первым известным человеком, предложившим гелиоцентрическую модель Вселенной. Хотя оригинальный текст утерян, ссылка в Архимеда книге «Счетчик песка» описывает гелиоцентрическую модель Аристарха. Архимед писал:

Вам, царь Гелон, известно, что Вселенная — это название, данное большинством астрономов сфере, центр которой является центром Земли, а ее радиус равен прямой линии между центром Солнца и центром Земли. Земля. Это общепринятая версия, которую вы слышали от астрономов. Но Аристарх издал книгу, состоящую из некоторых гипотез, в которой, как следствие сделанных предположений, оказывается, что Вселенная во много раз больше, чем только что упомянутая Вселенная. Его гипотезы заключаются в том, что неподвижные звезды и Солнце остаются неподвижными, что Земля вращается вокруг Солнца по окружности круга, Солнце лежит в середине орбиты и что сфера неподвижных звезд, расположенная примерно в том же центре как Солнце, настолько велико, что круг, по которому, по его мнению, вращается Земля, имеет такую ​​пропорцию к расстоянию неподвижных звезд, как центр сферы относится к ее поверхности.

Таким образом, Аристарх считал, что звезды находятся очень далеко, и видел в этом причину, по которой не наблюдался звездный параллакс , то есть не наблюдалось движения звезд относительно друг друга при движении Земли вокруг Солнца. На самом деле звезды находятся гораздо дальше, чем предполагалось в древние времена, поэтому звездный параллакс можно обнаружить только с помощью точных инструментов. Предполагалось, что геоцентрическая модель, согласующаяся с планетарным параллаксом, является объяснением ненаблюдаемости звездного параллакса.

Гравюра Фламмариона , Париж, 1888 г.

Единственным другим астрономом древности, известным по имени, который поддерживал гелиоцентрическую модель Аристарха, был Селевк из Селевкии , эллинистический астроном , живший через столетие после Аристарха. По мнению Плутарха, Селевк был первым, кто доказал гелиоцентрическую систему путем рассуждений , однако неизвестно, какие аргументы он использовал. Аргументы Селевка в пользу гелиоцентрической космологии, вероятно, были связаны с явлением приливов и отливов . Согласно Страбону (1.1.9), Селевк был первым, кто заявил, что приливы возникают из-за притяжения Луны и что высота приливов зависит от положения Луны относительно Солнца. В качестве альтернативы он мог доказать гелиоцентричность, определив для нее константы геометрической модели и разработав методы расчета положений планет с использованием этой модели, подобно Николаю Копернику в 16 веке. В средние века . гелиоцентрические модели были также предложены персидскими астрономами Альбамасаром и Аль-Сиджи .

Модель Коперниканской Вселенной Томаса Диггеса в 1576 году с поправкой, согласно которой звезды больше не заключены в сферу, а равномерно распределены по всему пространству, окружающему планеты .

Аристотелевская модель была принята в западном мире примерно два тысячелетия, пока Коперник не возродил точку зрения Аристарха о том, что астрономические данные можно было бы объяснить более правдоподобно, если бы Земля вращалась вокруг своей оси и если бы Солнце было помещено в центр Вселенной.

В центре покоится Солнце. Ибо кто поместит эту лампу из очень красивого храма в другое или лучшее место, чем это, где она могла бы освещать все одновременно?

- Николай Коперник, в главе 10 книги 1 De Revolutionibus Orbium Celestrum (1543 г.)

Как отмечал Коперник, представление о том, что Земля вращается, очень древнее и датируется, по крайней мере, Филолаем ( ок. 450 г. до н. э. ), Гераклидом Понтийским ( ок. 350 г. до н. э .) и Экфантом Пифагорейцем . Примерно за столетие до Коперника христианский ученый Николай Кузанский также предположил, что Земля вращается вокруг своей оси в своей книге « Об ученом незнании» (1440 г.). Аль-Сиджи также предположил, что Земля вращается вокруг своей оси. Эмпирические доказательства вращения Земли вокруг своей оси с использованием явления комет были даны Туси (1201–1274) и Али Кушджи (1403–1474).

Эту космологию приняли Исаак Ньютон , Христиан Гюйгенс и более поздние учёные. Ньютон продемонстрировал, что одни и те же законы движения и гравитации применимы к земной и небесной материи, что сделало разделение Аристотеля между ними устаревшим. Эдмунд Галлей (1720) и Жан-Филипп де Шезо (1744 г.) независимо отметил, что предположение о бесконечном пространстве, равномерно заполненном звездами, приведет к предсказанию, что ночное небо будет таким же ярким, как само Солнце; это стало известно как парадокс Ольберса . в 19 ​​веке Ньютон считал, что бесконечное пространство, равномерно заполненное материей, вызовет бесконечные силы и нестабильности, заставляющие материю сжиматься внутрь под действием собственной гравитации. Эта нестабильность была выяснена в 1902 году с помощью критерия нестабильности Джинса . Одним из решений этих парадоксов является Вселенная Шарлье , в которой материя устроена иерархически (системы вращающихся тел, которые сами вращаются в более крупной системе, до бесконечности ) фрактальным образом, так что Вселенная имеет пренебрежимо малую общую плотность; такая космологическая модель была также предложена ранее в 1761 году Иоганном Генрихом Ламбертом .

В XVIII веке Иммануил Кант предположил, что туманности могут представлять собой целые галактики, отдельные от Млечного Пути. а в 1850 году Александр фон Гумбольдт назвал эти отдельные галактики Weltinseln , или «мировыми островами», термин, который позже превратился в «островные вселенные». В 1919 году, когда телескоп Хукера был завершен, преобладало мнение, что Вселенная полностью состоит из галактики Млечный Путь. Используя телескоп Хукера, Эдвин Хаббл определил переменные цефеиды в нескольких спиральных туманностях и в 1922–1923 годах убедительно доказал, что Туманность Андромеды и Треугольник , среди других, были целыми галактиками за пределами нашей собственной, доказав тем самым, что Вселенная состоит из множества галактик.

Современная эра физической космологии началась в 1917 году, когда Альберт Эйнштейн впервые применил свою общую теорию относительности для моделирования структуры и динамики Вселенной. Открытия этой эпохи и вопросы, оставшиеся без ответа, изложены в разделах выше.

Карта наблюдаемой Вселенной с некоторыми известными астрономическими объектами, известными по состоянию на 2018 год. Масштаб длины увеличивается экспоненциально вправо. Небесные тела показаны увеличенными, чтобы можно было понять их форму.

Расположение Земли во Вселенной

Земля

Солнечная система

Рэдклифф Вейв

Рука Ориона

Млечный Путь

Местная группа

Дева SCl

Ланиакеа, Южная Каролина

Наблюдаемая Вселенная

Смотрите также

• Космический календарь (уменьшенная временная шкала)
• Космический латте
• Подробный логарифмический график
• Расположение Земли во Вселенной
• Ложный вакуум
• Будущее расширяющейся Вселенной
• Обзор галактики и сборки массы
• Тепловая смерть Вселенной
• История центра Вселенной
• Прославленный проект
• Нестандартная космология
• Нуклеокосмохронология
• Параллельная вселенная (фантастика)
• Гипотеза редкой земли
• Космос и выживание
• Терасекунда и дольше
• Хронология ранней Вселенной
• Хронология далекого будущего
• Хронология ближайшего будущего
• Вселенная с нулевой энергией

Рекомендации

Сноски

Цитаты

Библиография

• Бартель, Леендерт ван дер Варден (1987). «Гелиоцентрическая система в греческой, персидской и индуистской астрономии». Анналы Нью-Йоркской академии наук . 500 (1): 525–545. Бибкод : 1987NYASA.500..525V . дои : 10.1111/j.1749-6632.1987.tb37224.x . S2CID   222087224 .
• Ландау Л , Лифшиц Э (1975). Классическая теория поля (курс теоретической физики) . Том. 2 (4-е изд.). Нью-Йорк: Пергамон Пресс. стр. 358–397. ISBN  978-0-08-018176-9 .
• Лидделл, Х.Г. и Скотт, Р. (1968). Греко-английский лексикон . Издательство Оксфордского университета. ISBN  978-0-19-864214-5 .
• Миснер ; CW; Торн ; Кип; Уилер ; ЖА (1973). Гравитация . Сан-Франциско: WH Freeman. стр. 703–816. ISBN  978-0-7167-0344-0 .
• Рейн, диджей; Томас, Э.Г. (2001). Введение в науку космологию . Институт физического издательства.
• Риндлер, В. (1977). Основная теория относительности: специальная, общая и космологическая . Нью-Йорк: Springer Verlag. стр. 193–244. ISBN  978-0-387-10090-6 .
• Рис, Мартин, изд. (2012). Смитсоновская Вселенная (2-е изд.). Лондон: Дорлинг Киндерсли. ISBN  978-0-7566-9841-6 .

Внешние ссылки

• Внегалактическая база данных НАСА/IPAC (NED) / ( NED-Расстояния ).
• Есть около 10 ⁸² Атомы в наблюдаемой Вселенной – LiveScience , июль 2021 г.
• Вот почему мы никогда не узнаем всего о нашей Вселенной – Forbes , май 2019 г.