Вселенная

ВСЕЛЕ́ННАЯ – весь наблюдаемый материальный мир, включающий в себя все космические системы со всем их веществом и энергией, со всеми происходящими в них явлениями, а также его теоретически допускаемое продолжение. Вселенная, исследуемая астрономическими средствами, – это лишь часть материального мира, доступная изучению на данном этапе развития науки; иногда эту часть вселенной называют Метагалактикой. Знания, полученные при изучении Метагалактики, экстраполируются на ещё не охваченные наблюдениями и исследованиями области мира, вначале обычно лишь предполагаемые. Вселенная содержит разнообразные типы объектов, различающихся размерами и массой, – от элементарных частиц, атомов и молекул до планет, звёзд, галактик, скоплений галактик и заполняющего пространство между ними дисперсного вещества (газа, пыли), а также физические поля. Кроме известных видов материи во Вселенной, весьма вероятно, присутствуют вещества и поля неизвестной физической природы, проявляющие себя путём гравитационного взаимодействия с наблюдаемыми объектами. Раздел физики и астрономии, занимающийся изучением Вселенной как целого, называется космологией. Вселенная – наиболее широкое обобщающее понятие, систематизирующее астрономические сведения об окружающем мире.^[1]

Развитие представлений о Вселенной[править | править код]

Источник раздела: Большая российская энциклопедия^[1]

На ранних этапах истории цивилизации «горизонт Вселенной» находился на расстоянии всего порядка сотен километров. К началу 21 века Вселенную исследуется уже до расстояний более 10 млрд. световых лет. В историческом аспекте понятие «Вселенная» концентрирует в себе астрономические, физические, философские представления цивилизации. Поэтому понятие «Вселенная» является социально-географически и исторически развивающимся в соответствии с уровнем цивилизации, особенно с её астрономическими познаниями и представлениями. С выходом цивилизации с регионального на глобальный уровень и развитием науки Нового времени представления о Вселенной всё в большей мере стали основываться на достижениях астрономии и фундаментальной физики.

В развитии наиболее общих представлений о Вселенной можно выделить следующие этапы (они не всегда поддаются чёткой датировке в различных регионах).

Топоцентрическая Вселенная доисторического или раннего исторического этапа развития человечества появилась у изолированных племён и локально существующих цивилизаций, субъективно ощущающих место своего обитания центром Вселенной (такие представления о Вселенной сохранились до наших дней в некоторых племенах, например, Новой Гвинеи). В наиболее развитых вариантах таких моделей Вселенная представлялась, как правило, достаточно протяжённой (в Древней Индии даже бесконечной) плоской Землёй, накрытой куполом неба (Древний Китай, Древний Египет, цивилизации Средиземноморья, Византии и др.).

Геоцентрические модели Вселенной появились в ранней античности. Среди аргументов в их пользу, в частности в обоснование сферичности Земли, были и совершенно корректные с точки зрения современной науки. Например, Пифагор (6 в. до н.э.) отмечал круглую тень Земли на Луне во время лунных затмений.

Логически последовательная геоцентрическая модель Вселенной построена в 4 в. до н.э. Аристотелем (вслед за Евдоксом Книдским). Большой объём наблюдательных сведений о Вселенной получен Гиппархом (2 в. до н.э.). Геоцентрическая система мира, позволяющая достаточно точно описывать движения небесных тел, разработана К.Птолемеем (2 в.). Птолемеева система мира была в 12 в. канонизирована католической церковью, что надолго задержало развитие представлений о Вселенной.

Геоцентрическую картину мира сменила гелиоцентрическая модель Вселенной – картина обширной, но конечной Вселенной с центром, в котором находится Солнце. Первые идеи о подобной системе содержались ещё в трудах Аристарха Самосского (3 в. до н.э.). Но впервые научно обоснованная гелиоцентрическая система мира разработана Н.Коперником в середине 16 в. Система Коперника содержала представления о строении Вселенной как о Солнечной системе – Солнце с планетами, расположенными в правильном порядке, с достаточно верными относительными расстояниями – и очень удалённой сфере звёзд. Радикально уточнил движения планет в гелиоцентрической системе Коперника И.Кеплер в начале 17 века, введя законы движения планет (законы Кеплера).

В конце 16 века Дж.Бруно, опираясь на идеи Николая Кузанского, возродил древнюю идею Левкиппа, Демокрита и др. о бесконечности Вселенной, её ацентричности и о множественности обитаемых миров. Таким беспредельным миром звёзд (солнц), их планетных систем и комет стала бесконечная Вселенная И.Ньютона (1660-е гг.), в основу которой была положена его идея тяготения. На 200 лет Вселенная Ньютона оказалась стержневым элементом научной картины мира. Эволюционно-физическое содержание в мир Ньютона вносили естествоиспытатели, философы и астрономы. Так, И.Кант (середина 18 в.) ввёл представление об эволюции Вселенной, У.Гершель (конец 18 в.) «раздвинул» горизонты Вселенной за пределы Солнечной системы, открыв звёздную систему – Галактику. Солнце входит в неё лишь как одна из сотен миллиардов звёзд. По существу, Гершель «расширил» Вселенную и дальше, представив Галактику как один из множества элементов («пластов») крупномасштабной структуры Вселенной.

Во 2-й половине 19 в. Л.Больцман предложил идею флуктуаций как выход из термодинамического парадокса – «тепловой смерти» Вселенной. Идея Больцмана о ведущей роли во Вселенной флуктуаций не исчерпала себя до настоящего времени. Так, в современной космологии наблюдается тенденция воспринимать Вселенную (подобные нашей Метагалактике и даже более крупномасштабные) как гигантские флуктуации физического вакуума. Необходимость преодоления других космологических парадоксов – фотометрического и гравитационного – способствовала дальнейшему совершенствованию общей картины Вселенной.

Новый этап в развитии научных представлений о Вселенной начался с построения А.Эйнштейном общей теории относительности (ОТО; 1916–17). Приложение ОТО к космологии привело к представлению о бесконечной во времени, статической, безграничной, но, благодаря кривизне и замкнутости пространства, конечной модели Вселенной. В 1922 А.А.Фридман теоретически открыл нестационарность Вселенной в целом. В середине 1920-х гг. Э.Хаббл открыл мир галактик, а в конце 1920-х гг. – расширение Вселенной. Эти открытия дали основание для введения понятия «Вселенная Хаббла» как расширяющегося мира галактик – Метагалактики, «нашей Вселенной».

Важным этапом в развитии представлений о Вселенной стало построение в космологии инфляционной модели Вселенной (1980-е гг., А.Гут, А.Д.Линде), а затем теории стохастической инфляции (Линде). С позиций последней теории Вселенная бесконечна в пространстве и времени, а наша расширяющаяся Метагалактика – лишь одна из невообразимого множества Вселенных. Они обладают различными пространственными и временны́ми размерностями, в них действуют другие физические законы из-за различия значений фундаментальных физических констант. На вопрос, почему в нашей Вселенной физические законы и фундаментальные постоянные именно такие, как есть, а не иные, один из возможных ответов даёт антропный принцип. Разрабатываются модели максимально неоднородной Вселенной, построенной на принципе «чем дальше от нашей Вселенной, тем более отличны физические законы, действующие во Вселенной».

Современные представления о Вселенной[править | править код]

Источник раздела: Большая российская энциклопедия^[1]

Возраст «нашей Вселенной» (расширяющейся Метагалактики) составляет около 14 млрд. лет. Плотность её (порядка 10^–29 г/см³) близка к критической (см. Критическая плотность Вселенной), что соответствует плоскому пространству-времени. Компоненты плотности (%): звёзды около 0,5; барионы (в основном межгалактический газ) около 4; небарионная скрытая масса («тёмная материя») около 22; нейтрино около 0,3; антигравитирующий вакуум («тёмная энергия») около 74.

Несмотря на малую долю заключённой в нём массы, барионное вещество является наиболее заметным во Вселенной. Из него состоят звёзды и межзвёздная среда – газ и пыль, частично объединённые в планеты. Химическая эволюция вещества в современной Вселенной, а также основные процессы энерговыделения в ней связаны со звёздами и их эволюцией. Термоядерные реакции в недрах звёзд вызывают превращение лёгких химических элементов в более тяжёлые, вплоть до железа; а самые тяжёлые элементы рождаются при взрывах сверхновых звёзд. Сжатие ядер проэволюционировавших звёзд приводит к рождению сверхплотных объектов – белых карликов, нейтронных звёзд и чёрных дыр; при этом выделяется значительная гравитационная энергия. Излучение нормальных звёзд является практически единственным источником энергии, способным поддерживать жизнь на поверхности планет.

Звёзды иерархически объединены в системы всё более и более крупного масштаба. Силой гравитации они связаны в двойные, тройные и ещё более сложные кратные системы. Значительная часть звёзд по крайней мере некоторую часть своей жизни проводит в составе звёздных скоплений, содержащих от сотен до миллионов звёзд в каждом. Молодые звёзды, их скопления и связанное с ними межзвёздное вещество часто объединены в звёздные комплексы размером в сотни парсек и массой в миллионы масс Солнца. Отдельные звёзды, их скопления и комплексы, плотные облака межзвёздного газа и разреженная межоблачная среда объединены в галактики массами от десятков миллионов до сотен миллиардов масс Солнца и размерами от нескольких тысяч до сотен тысяч световых лет. В центральных областях галактик преобладает барионное (звёздное) вещество, но на их периферии всё заметнее становится присутствие небарионной, скрытой массы, которая в целом превалирует в массе крупных галактик.

Большинство галактик образует небольшие группы, а заметная часть (около 10%) – более крупные скопления из сотен и даже многих тысяч галактик. Эти скопления, имеющие характерный размер в миллионы световых лет, организованы в ещё более крупные структуры – сверхскопления галактик размером в десятки миллионов световых лет, разделённые пустотами такого же масштаба. Соприкасающиеся между собой сверхскопления и пустоты между ними образуют сотовую или, точнее, пенообразную структуру. Но и она неоднородна: в ней заметны уплотнения масштабом в сотни миллионов световых лет – так называемые великие стены. С переходом от структур малого масштаба ко всё более крупным контрасты плотности снижаются, так что с увеличением пространственного масштаба Вселенная выглядит всё более и более однородной.

К началу 21 века важнейшими нерешёнными проблемами в изучении Вселенной представляются следующие: расширение нашей Вселенной и его начальные стадии от исходной сингулярности; проблема Великого объединения основных физических взаимодействий (включая гравитационное); происхождение и эволюция крупномасштабной структуры Метагалактики; проблема жизни и разума во Вселенной. Существует также проблема природы фундаментальных объектов неклассического характера, таких как чёрные дыры. Согласно некоторым представлениям, их понимание лежит за пределами ОТО и требует построения квантовой теории гравитации. Остаётся открытой и проблема объяснения природы и «механизма действия» таких важных и характерных объектов Вселенной, как активные ядра галактик, квазары и гамма-всплески. Так, только в недавние годы было доказано, что гамма-всплески – это далёкие метагалактические события, энергетически наиболее масштабные в известной Вселенной. Рассматривается также возможность наблюдения среди объектов нашего неба (с позиций инфляционной Вселенной) Больших взрывов, происходящих в начале рождения других вселенных.

Проблема «расширяющейся Вселенной»[править | править код]

Источник раздела: Симфония Вселенной^[2]

В специальном выпуске журнала European Physical Journal Special Topics (EPJST) собран воедино ряд работ, посвященных изучению ускоряющегося расширения нашей Вселенной и темной энергии, являющейся движущей силой этого процесса.

«Несмотря на все прорывы в теоретической и экспериментальной физике элементарных частиц и космологии, мы понимаем лишь около пяти процентов Вселенной, — сказал один из редакторов этого специального выпуска журнала EPJST Субхендра Моханти (Subhendra Mohanty) из Лаборатории физических исследований в г. Ахмадабаде, Индия. — Оставшиеся материя и энергия Вселенной представлены темной материей, которая объясняет скорости вращения галактик и формирование структуры космоса, и темной энергией, которая вызывает ускоренное расширение Вселенной».

Кроме не разрешенных до сих пор загадок так называемой «темной Вселенной», по мере повышения надежности теорий и точности собираемых наблюдательных данных перед учеными все острее встают расхождения между лучшими современными моделями описания Вселенной. Например, величина ускорения расширения Вселенной, полученная в результате астрономических наблюдений и на основе расчета по стандартной космологической модели, оказывается значительно ниже, по сравнению со значением, полученным на основе стандартной модели физики элементарных частиц. «Если расхождение между различными результатами наблюдений не будет устранено даже после повышения точности наблюдений, то это будет означать, что базовая модель Lambda CDM — наиболее популярная стандартная космологическая модель – требует пересмотра, — объяснил Моханти. – Возможно, существуют взаимодействия между различными секторами, подобные темной материи и темной энергии, которые мы до сих пор не идентифицировали».

Исследователь указывает, что невозможность разрешить это противоречие может также означать, что современный способ измерения космических расстояний, основанный на использовании космического красного смещения и «стандартных свечей», таких как сверхновые типа Ia и переменные звезды класса Цефеид, требует пересмотра.

Моханти продолжает объяснять, что в этой области исследований космического пространства выделяются два основных направления. Первое направление предполагает подробный анализ и интерпретацию наблюдательных данных, указывающих на существование темной энергии. Второе направление связано с пониманием природы темной энергии на микроскопическом уровне — как текучей среды с отрицательным давлением. Это, как указывает Моханти, отличает темную энергию от любой другой частицы или поля, известных науке на сегодняшний день.

«Получение знаний о природе темной энергии на основе изучения ускоряющегося расширения Вселенной позволит выйти на новый, более глубокий уровень понимания тайн нашего мира, — делает вывод Моханти. – Лучшим способом продвинуться в понимании темной энергии представляется установление тесной связи между теорией и наблюдениями – что становится возможным с появлением большого числа новых, высокоточных экспериментов в области космологии и физики элементарных частиц».