Вселенная

Вселенная

На снимке Hubble Ultra-Deep Field показаны некоторые из наиболее удаленных галактик, видимых с помощью современных технологий, каждая из которых состоит из миллиардов звезд. (Площадь видимого изображения примерно 1/79 площади полной луны) [1]
Возраст (в рамках модели Lambda-CDM )	13,799 ± 0,021 миллиарда лет [2]
Диаметр	Неизвестный. [3] Диаметр наблюдаемой Вселенной :8,8 × 10 26  м (28,5 г шт. Или 93 гл. ) [4]
Масса (обычная материя)	Не менее 10 53 кг [5]
Средняя плотность (включая вклад энергии )	9,9 x 10 -30 г / см 3 [6]
Средняя температура	2,72548 К (-270,4 ° C или -454,8 ° F ) [7]
Основное содержание	Обычная (барионная) материя (4,9%) Темная материя (26,8%) Темная энергия (68,3%) [8]
Форма	Квартира с погрешностью 0,4% [9]

Вселенная ( Latin : Universus ) является все пространство и время ^[а] и их содержание, ^[10] в том числе планет , звезд , галактик , и все другие формы материи и энергии . Теория Большого взрыва - это преобладающее космологическое описание развития Вселенной. Согласно оценке этой теории, пространство и время возникли вместе.13,799 ± 0,021 миллиарда лет назад ^[2], и с тех пор Вселенная расширяется. Хотя пространственный размер всей Вселенной неизвестен ^[3], можно измерить размер наблюдаемой Вселенной , которая в настоящее время оценивается в 93 миллиарда световых лет в диаметре.

Самые ранние космологические модели Вселенной были разработаны древнегреческими и индийскими философами и были геоцентрическими , в центре которых была Земля . ^{[11] [12]} На протяжении веков более точные астрономические наблюдения привели Николая Коперника к разработке гелиоцентрической модели с Солнцем в центре Солнечной системы . При разработке закона всемирного тяготения , Исаак Ньютон построил на работе Коперника, а также Johannes Kepler «s законы движения планети наблюдения Тихо Браге .

Дальнейшие улучшения в наблюдениях привели к осознанию того, что Солнце - одна из сотен миллиардов звезд в Млечном Пути , который является одной из по крайней мере двух триллионов галактик во Вселенной. У многих звезд в нашей галактике есть планеты . В самом большом масштабе галактики распределены равномерно и одинаково во всех направлениях, а это означает, что у Вселенной нет ни края, ни центра. В меньших масштабах галактики распределены в скопления и сверхскопления, которые образуют огромные волокна и пустоты в космосе, создавая обширную пеноподобную структуру. ^[13]Открытия в начале 20 - го века , предположили , что Вселенная имела начало , и что пространство расширяется , с тех пор, ^[14] и в настоящее время все еще расширяется с возрастающей скоростью. ^[15]

Согласно теории Большого взрыва, изначально присутствующие энергия и вещество стали менее плотными по мере расширения Вселенной. После начального ускоренного расширения, названного инфляционной эпохой, примерно через ^10-32 секунды, и разделения четырех известных фундаментальных сил , Вселенная постепенно остыла и продолжила расширяться, что позволило сформироваться первым субатомным частицам и простым атомам . Темная материя постепенно собиралась, образуя пенообразную структуру из волокон и пустот под действием силы тяжести . Гигантские облака водорода и гелияпостепенно притягивались к местам, где темная материя была наиболее плотной , образуя первые галактики, звезды и все остальное, что мы видим сегодня.

Изучая движение галактик, было обнаружено, что Вселенная содержит намного больше материи, чем может быть объяснено видимыми объектами; звезды, галактики, туманности и межзвездный газ. Эта невидимая материя называется темной материи ^[16] ( темные означает , что существует широкий спектр сильных косвенных доказательств , что она существует, но мы до сих пор не обнаружены непосредственно). Модель ΛCDM - самая распространенная модель нашей Вселенной. Это говорит о том, что около69,2% ± 1,2% [2015] массы и энергии Вселенной - это космологическая постоянная (или, в расширении ΛCDM, другие формы темной энергии , такие как скалярное поле ), которая ответственна за текущее расширение пространства , и о25,8% ± 1,1% [2015] - темная материя. ^[17] Следовательно, обычная (« барионная ») материя4,84% ± 0,1% [2015] физической вселенной. ^[17] Звезды, планеты и видимые газовые облака составляют лишь около 6% обычного вещества. ^[18]

Есть много 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 о мультивселенной , в которых наша Вселенная могла бы быть одной из многих аналогичных вселенных. ^{[3] [19] [20]}

Определение

Физическая вселенная определяется как все пространство и время ^[a] (вместе именуемые пространством-временем ) и их содержимое. ^[10] Такое содержимое включает всю энергию в ее различных формах, включая электромагнитное излучение и материю , и, следовательно, планеты, луны , звезды, галактики и содержимое межгалактического пространства . ^{[21] [22] [23]} Вселенная также включает физические законы , влияющие на энергию и материю, такие как законы сохранения , классическая механика и теория относительности.. ^[24]

Вселенная часто определяется как «совокупность существования» или все, что существует, все, что существовало, и все, что будет существовать. ^[24] Фактически, некоторые философы и ученые поддерживают включение идей и абстрактных понятий, таких как математика и логика, в определение Вселенной. ^{[26] [27] [28]} Слово « вселенная» может также относиться к таким понятиям, как космос , мир и природа . ^{[29] [30]}

Этимология

В слово вселенной происходит от старого французского слова Univers , который , в свою очередь , происходит от латинского слова универсума . ^[31] Латинское слово использовалось Цицероном и более поздними латинскими авторами во многих из тех же значений, что и современное английское слово. ^[32]

Синонимы

Термин «вселенная» у древнегреческих философов, начиная с Пифагора, был τὸ πᾶν , tò pân («все»), определяемым как вся материя и все пространство, и τὸ ὅλον , tò hólon («все вещи»), что действительно не обязательно включать пустоту. ^{[33] [34]} Другой синоним был κόσμος , ho kósmos (что означает мир , космос ). ^[35] Синонимы также встречаются у латинских авторов ( totum , mundus , natura ) ^[36] и сохраняются в современных языках, например, в немецких словахDas All , Weltall и Natur для вселенной . Те же синонимы встречаются в английском языке, такие как все (как в теории всего ), космос (как в космологии ), мир (как в интерпретации многих миров ) и природа (как в естественных законах или естественной философии). ). ^[37]

Хронология и большой взрыв

Преобладающей моделью эволюции Вселенной является теория Большого взрыва. ^{[38] [39]} Модель Большого взрыва утверждает, что самое раннее состояние Вселенной было чрезвычайно горячим и плотным, и что впоследствии Вселенная расширялась и охлаждалась. Модель основана на общей теории относительности и на упрощающих предположениях, таких как однородность и изотропность пространства. Версия модели с космологической постоянной (лямбда) и холодной темной материей , известная как модель лямбда-CDM., является простейшей моделью, которая дает достаточно хорошее представление о различных наблюдениях за Вселенной. Модель Большого взрыва учитывает такие наблюдения, как корреляция расстояния и красного смещения галактик, отношение количества водорода к атомам гелия и фон микроволнового излучения.

Начальное горячее, плотное состояние называется эпохой Планка , коротким периодом, простирающимся от нулевого времени до одной планковской единицы времени приблизительно 10 ^-43 секунды. В эпоху Планка все типы материи и все типы энергии были сконцентрированы в плотном состоянии, и гравитация - в настоящее время самая слабая из четырех известных сил - считается такой же сильной, как и другие фундаментальные силы, и все силы могли быть объединены . Начиная с эпохи Планка, пространство расширяется до нынешних масштабов с очень коротким, но интенсивным периодом космической инфляции, который, как полагают, произошел в течение первых 10 −32секунд. ^[40] Это было своего рода расширение, отличное от тех, что мы видим вокруг нас сегодня. Объекты в космосе физически не двигались; вместо этого изменилась метрика , определяющая само пространство. Хотя объекты в пространстве-времени не могут двигаться быстрее скорости света , это ограничение не применяется к метрике, управляющей самим пространством-временем. Считается, что этот начальный период инфляции объясняет, почему пространство кажется очень плоским и намного больше, чем мог путешествовать свет с момента зарождения Вселенной. ^{[ требуется разъяснение ]}

В течение первой доли секунды существования Вселенной четыре фундаментальные силы разделились. По мере того как Вселенная продолжала остыть от его невообразимо горячего состояния, различные типы элементарных частиц были способны образовывать в коротких периоды времени , известное как кварковая эпоха , в адронный эпохе , и лептоны эпоха . Вместе эти эпохи охватили менее 10 секунд времени после Большого взрыва. Эти элементарные частицы стабильно объединяются во все более крупные комбинации, включая стабильные протоны и нейтроны , которые затем образуют более сложные атомные ядра посредством ядерного синтеза.. Этот процесс, известный как нуклеосинтез Большого взрыва , длился всего около 17 минут и закончился примерно через 20 минут после Большого взрыва, поэтому происходили только самые быстрые и простые реакции. Около 25% из протонов и всех нейтронов во Вселенной, по массе, были преобразованы в гелий , с небольшим количеством дейтерия (а форма из водорода ) и следами литии . Любой другой элемент был образован в очень крошечных количествах. Остальные 75% протонов остались нетронутыми, как ядра водорода .

После завершения нуклеосинтеза Вселенная вступила в период, известный как фотонная эпоха . В этот период Вселенная была еще слишком горячей, чтобы материя могла образовывать нейтральные атомы , поэтому она содержала горячую, плотную, туманную плазму из отрицательно заряженных электронов , нейтральных нейтрино и положительных ядер. Примерно через 377000 лет Вселенная остыла настолько, что электроны и ядра смогли сформировать первые стабильные атомы . По историческим причинам это известно как рекомбинация ; фактически, электроны и ядра соединялись впервые. В отличие от плазмы нейтральные атомы прозрачны для многих длин волн.света, поэтому впервые вселенная также стала прозрачной. Фотоны, высвободившиеся (« разделенные ») при образовании этих атомов, все еще можно увидеть сегодня; они формируют космический микроволновый фон (CMB).

По мере расширения Вселенной, то плотность энергии от электромагнитного излучения уменьшается быстрее , чем это делает из материи , так как энергия фотона уменьшается с его длиной волны. Примерно через 47000 лет плотность энергии материи стала больше, чем у фотонов и нейтрино , и стала доминировать в крупномасштабном поведении Вселенной. Это ознаменовало конец эры доминирования радиации и начало эры доминирования вещества .

На самых ранних этапах Вселенной, крошечные колебания в пределах плотности Вселенной привели к концентрации из темной материи постепенно формируется. Обычная материя, притягиваемая к ним гравитацией , образовывала 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 ^{[ необходима цитата ]} сформировались первые звезды , известные как звезды населения III . Вероятно, они были очень массивными, светящимися, неметаллическими и недолговечными. Они несли ответственность за постепенную реионизациюВселенной между 200-500 миллионами лет и 1 миллиардом лет, а также для заполнения Вселенной элементами тяжелее гелия посредством звездного нуклеосинтеза . ^[41] Вселенная также содержит загадочную энергию - возможно, скалярное поле - называемую темной энергией , плотность которой не меняется со временем. Примерно через 9,8 миллиарда лет Вселенная расширилась настолько, что плотность материи была меньше плотности темной энергии, что ознаменовало начало нынешней эры, в которой преобладает темная энергия . ^[42] В эту эпоху расширение Вселенной ускоряется из-за темной энергии.

Физические свойства

Из четырех фундаментальных взаимодействий , гравитация является доминирующей в астрономических масштабах длины. 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 взаимодействия, очень быстро убывают с расстоянием; их эффекты ограничиваются в основном субатомными масштабами длины.

Кажется, что во Вселенной гораздо больше материи, чем антивещества , асимметрия, возможно, связана с CP-нарушением . ^[43] Этот дисбаланс между материей и антивеществом частично ответственен за существование всей материи, существующей сегодня, поскольку материя и антивещество, если бы они были в равной степени произведены во время Большого взрыва , полностью уничтожили бы друг друга и в результате их взаимодействия остались бы только фотоны. . ^{[44] [45]} Вселенная также, кажется, не имеет ни чистого импульса, ни момента количества движения , что соответствует принятым физическим законам, если Вселенная конечна. Эти законы - закон Гауссаи отсутствие расходимости псевдотензора энергии-импульса импульса . ^[46]

Размер и регионы

Размер Вселенной определить довольно сложно. Согласно общей теории относительности, далекие области космоса могут никогда не взаимодействовать с нашими даже во время жизни Вселенной из-за конечной скорости света и продолжающегося расширения пространства . Например, радиосообщения, отправленные с Земли, могут никогда не достичь некоторых областей космоса, даже если Вселенная будет существовать вечно: космос может расширяться быстрее, чем свет может пересечь его. ^[47]

Предполагается, что далекие области пространства существуют и являются такой же частью реальности, как и мы, даже если мы никогда не можем взаимодействовать с ними. Пространственная область, на которую мы можем воздействовать и на которую воздействуем, - это наблюдаемая Вселенная . Наблюдаемая Вселенная зависит от местоположения наблюдателя. Путешествуя, наблюдатель может войти в контакт с большей областью пространства-времени, чем наблюдатель, который остается неподвижным. Тем не менее, даже самый быстрый путешественник не сможет взаимодействовать со всем пространством. Обычно под наблюдаемой Вселенной подразумевается часть Вселенной, которую можно наблюдать с нашей точки зрения в Млечном Пути.

Надлежащее расстояние -Расстояние , как будет измеряться в то время , определенного, в том числе и нынешние между Землей и краем наблюдаемой Вселенной составляет 46 миллиардов световых лет ^[48] (14 миллиардов парсек), ^[49] делая диаметр наблюдаемая Вселенная составляет около 93 миллиардов световых лет (28 миллиардов парсеков). ^[48] Расстояние, которое прошел свет от края наблюдаемой Вселенной, очень близко к возрасту Вселенной, умноженному на скорость света , 13,8 миллиардов световых лет (4,2 × 10 ⁹^ pc), но это не представляет собой расстояние в любой момент времени, потому что край наблюдаемой Вселенной и Земля с тех пор раздвинулись дальше. ^[50] Для сравнения, диаметр типичной галактики составляет 30 000 световых лет (9 198 парсеков ), а типичное расстояние между двумя соседними галактиками составляет 3 миллиона световых лет (919,8 килопарсеков). ^[51] Например, Млечный Путь составляет примерно 100 000–180 000 световых лет в диаметре, ^{[52] [53]} и ближайшая сестра-галактика Млечного Пути, Галактика Андромеды , расположена примерно в 2,5 миллиона световых лет от нас. . ^[54]

Поскольку мы не можем наблюдать пространство за пределами наблюдаемой Вселенной, неизвестно, конечен ли размер Вселенной в ее совокупности или бесконечен. ^{[3] [55] [56]} Согласно оценкам, вся Вселенная, если она конечна, должна быть более чем в 250 раз больше, чем наблюдаемая Вселенная. ^[57] Некоторые оспариваемые ^[58] оценки общего размера Вселенной, если они конечны, достигают мегапарсеков, что подразумевается в предложенной резолюции Предложения об отсутствии границ. ^{[59] [b]}${\ displaystyle 10 ^ {10 ^ {10 ^ {122}}}}$

Возраст и расширение

Астрономы рассчитывают возраст Вселенной , предполагая, что модель Лямбда-CDM точно описывает эволюцию Вселенной от очень однородного, горячего, плотного изначального состояния до ее нынешнего состояния, и измеряя космологические параметры, которые составляют модель. ^{[ необходима цитата ]} Эта модель хорошо изучена теоретически и поддерживается недавними высокоточными астрономическими наблюдениями, такими как WMAP и Planck . ^{[ необходима цитата ]} Обычно набор подобранных наблюдений включает в себя анизотропию космического микроволнового фона , соотношение яркость / красное смещение дляСверхновые типа Ia и крупномасштабные скопления галактик, включая барионную акустическую осцилляцию . ^{[ необходима цитата ]} Другие наблюдения, такие как постоянная Хаббла, обилие скоплений галактик, слабое гравитационное линзирование и возраст шаровых скоплений, как правило, согласуются с этими наблюдениями, обеспечивая проверку модели, но в настоящее время измеряются менее точно. ^{[ необходимая цитата ]} Если предположить, что модель Лямбда-CDM верна, измерения параметров с использованием различных методов с помощью многочисленных экспериментов дают лучшее значение возраста Вселенной по состоянию на 2015 год, составляющее 13,799 ± 0,021 миллиарда лет. ^[2]

Со временем Вселенная и ее содержимое эволюционировали; например, относительная популяция квазаров и галактик изменилась ^[60], а само пространство расширилось . Благодаря этому расширению ученые на Земле могут наблюдать свет от галактики, находящейся на расстоянии 30 миллиардов световых лет, хотя этот свет путешествовал всего 13 миллиардов лет; само пространство между ними расширилось. Это расширение согласуется с наблюдением, что свет далеких галактик смещен в красную сторону ; что фотоны , испускаемые были напряжены до более длинных длин волн и низкой частоты во время их путешествия. Анализ сверхновых типа Iaуказывают на то, что пространственное расширение ускоряется . ^{[61] [62]}

Чем больше материи во Вселенной, тем сильнее взаимное гравитационное притяжение материи. Если бы Вселенная была слишком плотной, она бы снова схлопнулась в гравитационную сингулярность . Однако, если бы во Вселенной было слишком мало материи, тогда самогравитация была бы слишком слабой для образования астрономических структур, таких как галактики или планеты. После Большого взрыва Вселенная монотонно расширилась . Возможно, неудивительно , что наша Вселенная имеет правильную плотность массы-энергии , эквивалентную примерно 5 протонам на кубический метр, что позволило ей расширяться в течение последних 13,8 миллиардов лет, давая время на формирование Вселенной, как это наблюдается сегодня. ^[63]

На частицы во Вселенной действуют динамические силы, влияющие на скорость расширения. До 1998 года ожидалось, что скорость расширения будет уменьшаться с течением времени из-за влияния гравитационных взаимодействий во Вселенной; Таким образом, во Вселенной существует дополнительная наблюдаемая величина, называемая параметром замедления , который, по мнению большинства космологов, должен быть положительным и связан с плотностью материи Вселенной. В 1998 году параметр замедления был измерен двумя разными группами и оказался отрицательным, примерно -0,55, что технически означает, что вторая производная космического масштабного фактора была положительной в последние 5-6 миллиардов лет. ^{[15] [64]}${\ Displaystyle {\ ddot {а}}}$Это ускорение, однако, не означает, что параметр Хаббла в настоящее время увеличивается; подробности см. в параметре замедления .

Пространство-время

Пространство-время - это арены, на которых происходят все физические события. Базовыми элементами пространства-времени являются события . В любом данном пространстве-времени событие определяется как уникальное положение в уникальное время. Пространство-время - это объединение всех событий (точно так же, как линия представляет собой объединение всех своих точек), формально организованных в многообразие . ^[65]

События, такие как материя и энергия, искривляют пространство-время. Искривленное пространство-время, с другой стороны, заставляет материю и энергию вести себя определенным образом. Нет смысла рассматривать одно без другого. ^[14]

Вселенная кажется 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 четырех координат: ( x , y , z , t ) ). В среднем наблюдается почти плоское пространство (с кривизной, близкой к нулю), а это означает, что евклидова геометрия эмпирически верна с высокой точностью для большей части Вселенной. ^[66] Пространство-время также имеет односвязную топология , по аналогии со сферой, по крайней мере, в масштабе наблюдаемой Вселенной. Однако настоящие 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 топологиями двумерных пробелы . ^{[67] [68]} Пространство-время Вселенной обычно интерпретируется с евклидовой точки зрения, при этом пространство состоит из трех измерений , а время - как состоящее из одного измерения , « четвертого измерения ».^[69] Объединив пространство и время в единое многообразие, называемое пространством Минковского , физики упростили большое количество физических теорий , а также более единообразно описали работу Вселенной как на супергалактическом, так и на субатомном уровнях.

Пространственно- временные события не имеют абсолютного пространственного и временного определения, скорее, как известно, они связаны с движением наблюдателя . Пространство Минковского приближает Вселенную без гравитации ; то псевдоримановы многообразия из общей теории относительности описывает пространства - времени с материей и гравитацией.

Форма

Общая теория относительности описывает, как пространство-время искривляется и искривляется массой и энергией (гравитацией). Топологии или геометрии Вселенной включает в себя как локальную геометрию в наблюдаемой Вселенной и глобальной геометрии . Космологи часто работают с заданным пространственно-подобным срезом пространства-времени, называемым сопутствующими координатами . Наблюдаемый участок пространства-времени - это обратный световой конус , ограничивающий космологический горизонт . Космологический горизонт (также называемый горизонтом частиц или горизонтом света) - это максимальное расстояние, с которого частицы могут пройти донаблюдатель в эпоху Вселенной . Этот горизонт представляет собой границу между наблюдаемыми и ненаблюдаемыми областями Вселенной. ^{[70] [71]} Существование, свойства и значение космологического горизонта зависят от конкретной космологической модели .

Важным параметром, определяющим будущую эволюцию теории Вселенной, является параметр плотности Омега (Ω), 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, меньше или больше 1. Они называются, соответственно, плоской, открытой и закрытой вселенными. ^[72]

Наблюдения, в том числе Cosmic Background Explorer (COBE), Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) и карты CMB Planck , предполагают, что Вселенная бесконечна по протяженности с конечным возрастом, как описано Фридманом-Лемэтром-Робертсоном-Уокером (FLRW) модели. ^{[73] [67] [74] [75]} Таким образом, эти модели FLRW поддерживают инфляционные модели и стандартную модель космологии, описывающую плоскую однородную Вселенную, в которой в настоящее время преобладают темная материя и темная энергия . ^{[76] [77]}

Поддержка жизни

Вселенная может быть настроена точно ; Гипотеза Тонко настроенной Вселенной - это предположение, что условия, которые допускают существование наблюдаемой жизни во Вселенной, могут возникать только тогда, когда определенные универсальные фундаментальные физические константы лежат в очень узком диапазоне значений, так что если бы любая из нескольких фундаментальных констант была только немного иначе, вселенная вряд ли способствовала бы установлению и развитию материи , астрономических структур, элементарного разнообразия или жизни в ее понимании. ^[78] Предложение обсуждается среди философов , ученых , теологов и сторонниковкреационизм .

Сочинение

Вселенная почти полностью состоит из темной энергии, темной материи и обычной материи . Другие составляющие - это электромагнитное излучение (по оценкам, составляющее от 0,005% до примерно 0,01% от общей массы-энергии Вселенной) и антивещество . ^{[79] [80] [81]}

Пропорции всех типов материи и энергии изменились за всю историю Вселенной. ^[82] Общее количество электромагнитного излучения, генерируемого во Вселенной, уменьшилось на 1/2 за последние 2 миллиарда лет. ^{[83] [84]} Сегодня обычная материя, которая включает в себя атомы, звезды, галактики и жизнь , составляет всего 4,9% содержимого Вселенной. ^[8] Текущая общая плотность этого типа материи очень мала, примерно 4,5 × 10 ^-31 грамм на кубический сантиметр, что соответствует плотности порядка всего одного протона на каждые четыре кубических метра объема. ^[6]Природа темной энергии и темной материи неизвестна. Темная материя, загадочная форма материи, которая еще не была идентифицирована, составляет 26,8% космического содержимого. Темная энергия, которая является энергией пустого пространства и вызывает ускорение расширения Вселенной, составляет оставшиеся 68,3% содержимого. ^{[8] [85] [86]}

Материя, темная материя и темная энергия равномерно распределены по Вселенной на масштабах длиннее 300 миллионов световых лет или около того. ^[87] Однако на более коротких масштабах материя имеет тенденцию иерархически сгущаться; многие атомы конденсируются в звезды , большинство звезд - в галактики, большинство галактик - в скопления, сверхскопления и, наконец, крупномасштабные галактические нити . Наблюдаемая Вселенная содержит более 2 триллионов (10 ¹² ) галактик ^[88] и, в целом, по оценкам1 × 10 ²⁴ звезды ^{[89] [90]} (звезд больше, чем всех песчинок на планете Земля ). ^[91] Типичные галактики варьируются от карликов с всего лишь десятью миллионами ^[92] (10 ⁷ ) звезд до гигантов с одним триллионом ^[93] (10 ¹² ) звезд. Между более крупными структурами есть пустоты , которые обычно имеют диаметр 10–150 Мпк (33–490 млн св. Лет). Млечный Путь находится в Местной группе галактик, которые , в свою очередь , находится в ланиакея .^[94] Это сверхскопление охватывает более 500 миллионов световых лет, а Местная группа - более 10 миллионов световых лет. ^[95] Вселенная также имеет обширные области относительной пустоты; самая большая из известных пустот имеет диаметр 1,8 млрд световых лет (550 Мпк). ^[96]

Наблюдаемая Вселенная изотропна в масштабах, значительно больших, чем сверхскопления, что означает, что статистические свойства Вселенной одинаковы во всех направлениях, наблюдаемых с Земли. Вселенная залита изотропным микроволновым излучением, которое соответствует спектру теплового равновесия черного тела примерно 2,72548 кельвина . ^[7] Гипотеза о том, что крупномасштабная Вселенная однородна и изотропна, известна как космологический принцип . ^[98] Вселенная, которая и однородна, и изотропна, выглядит одинаково со всех точек зрения ^[99] и не имеет центра. ^[100]

Темная энергия

Объяснение того, почему расширение Вселенной ускоряется, остается неуловимым. Его часто приписывают «темной энергии», неизвестной форме энергии, которая, как предполагается, проникает в космос. ^[101] На основе эквивалентности массы и энергии плотность темной энергии (~ 7 × 10 ^-30 г / см ³ ) намного меньше, чем плотность обычной материи или темной материи внутри галактик. Однако в нынешнюю эру темной энергии она доминирует над массой-энергией Вселенной, потому что она однородна в пространстве. ^{[102] [103]}

Две предложенные формы темной энергии - это космологическая постоянная , постоянная плотность энергии, однородно заполняющая пространство ^[104], и скалярные поля, такие как квинтэссенция или модули , динамические величины, плотность энергии которых может изменяться во времени и пространстве. Вклады скалярных полей, постоянных в пространстве, обычно также включаются в космологическую постоянную. Космологическую постоянную можно сформулировать как эквивалент энергии вакуума . Скалярные поля, имеющие лишь небольшую пространственную неоднородность, было бы трудно отличить от космологической постоянной.

Темная материя

Темная материя - это гипотетический вид материи , невидимый для всего электромагнитного спектра , но составляющий большую часть материи во Вселенной. О существовании и свойствах темной материи можно судить по ее гравитационному воздействию на видимую материю, излучение и крупномасштабную структуру Вселенной. Кроме нейтрино , разновидности 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 любом значительном уровне. По оценкам, темная материя составляет 26,8% всей массы-энергии и 84,5% всей материи во Вселенной. ^{[85] [105]}

Обычное дело

Остальные 4,9% массы-энергии Вселенной составляют обычное вещество, то есть атомы , ионы , электроны и объекты, которые они образуют. Эта материя включает в себя звезды , которые производят почти весь свет, который мы видим от галактик, а также межзвездный газ в межзвездных и межгалактических средах, планетах и всех объектах повседневной жизни, на которые мы можем натолкнуться, коснуться или сжать. ^[106]Фактически, подавляющее большинство обычного вещества во Вселенной невидимо, поскольку видимые звезды и газ внутри галактик и скоплений составляют менее 10 процентов вклада обычной материи в плотность массы-энергии Вселенной. ^[107]

Обычная материя обычно существует в четырех состояниях (или фазах ): твердом , жидком , газовом и плазменном . Однако успехи 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 . ^[108] Например, протон состоит из двух верхних кварков 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, и электронов, вращающихся вокруг ядра. Поскольку большая часть массы атома сосредоточена в его ядре, которое состоит из барионов , астрономы часто используют термин барионная материя для описания обычной материи, хотя небольшую часть этой «барионной материи» составляют электроны.

Вскоре после Большого взрыва первичные протоны и нейтроны сформировались из кварк-глюонной плазмы ранней Вселенной, когда она остыла ниже двух триллионов градусов. Через несколько минут в процессе, известном как нуклеосинтез Большого взрыва , ядра образовались из первичных протонов и нейтронов. Этот нуклеосинтез образовывал более легкие элементы, с небольшими атомными номерами, вплоть до лития и бериллия , но содержание более тяжелых элементов резко снижалось с увеличением атомного номера. Некоторое количество бора могло образоваться в это время, но следующий более тяжелый элемент, углерод, не формировалась 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 сверхновой . ^[109]

Частицы

Обычную материю и силы, действующие на нее, можно описать с помощью элементарных частиц . ^[110] Эти частицы иногда описываются как фундаментальные, поскольку они имеют неизвестную субструктуру, и неизвестно, состоят ли они из более мелких и даже более фундаментальных частиц. ^{[111] [112]} Центральное значение имеет Стандартная модель , теория, которая занимается электромагнитными взаимодействиями, а также слабыми и сильными ядерными взаимодействиями. ^[113] Стандартная модель поддерживается экспериментальным подтверждением существования частиц, из которых состоит материя: кваркови лептоны , и соответствующие им « антиматерия » двойственная, а также частицы силы , которые опосредуют взаимодействие : с фотоном , то W и Z бозоны , и глюон . ^[111] Стандартная модель предсказала существование недавно открытого бозона Хиггса , частицы, которая является проявлением поля во Вселенной, которое может наделять частицы массой. ^{[114] [115]} Из-за ее успеха в объяснении широкого спектра экспериментальных результатов Стандартная модель иногда рассматривается как «теория почти всего». ^[113]Однако Стандартная модель не учитывает гравитацию. Настоящая "теория всего" с помощью частиц и силы еще не создана. ^[116]

Адроны

Адроне представляет собой композитные частицы сделаны из кварков , удерживаемых вместе с помощью сильной силы . 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, а нейтроны, связанные внутри атомных ядер, стабильны. Другие адроны нестабильны в обычных условиях и, следовательно, являются незначительными составляющими современной Вселенной. Примерно через ^10-6 секунд после Большого взрыва в течение периода, известного какВ адронную эпоху температура Вселенной упала достаточно, чтобы кварки могли соединиться в адроны, и в массе Вселенной преобладали адроны . Первоначально температура была достаточно высокой, чтобы позволить образование адрон / антиадронных пар, которые удерживали материю и антивещество в тепловом равновесии . Однако по мере того, как температура Вселенной продолжала падать, пары адрон / антиадрон больше не производились. Большинство адронов и антиадронов затем были уничтожены в реакциях аннигиляции частица-античастица , оставив небольшой остаток адронов к тому времени, когда Вселенная достигла возраста одной секунды. ^{[117] : 244–66}

Лептоны

Лептоне является элементарным , полуцелый спин частиц , который не претерпевает сильные взаимодействия , но при условии Паули принципа исключения ; никакие два лептона одного вида не могут одновременно находиться в одном и том же состоянии. ^[118] Существуют два основных класса лептонов: заряженные лептоны (также известные как электроноподобные лептоны) и нейтральные лептоны (более известные как нейтрино ). Электроны являются стабильными и наиболее распространенными заряженными лептонами во Вселенной, в то время как мюоны и таус - нестабильные частицы, которые быстро распадаются после образования высокой энергии.столкновения, например, с участием космических лучей или происходящие в ускорителях частиц . ^{[119] [120]} Заряженные лептоны могут объединяться с другими частицами с образованием различных составных частиц, таких как атомы и позитроний . Электрон регулирует почти все химии , так как она находится в атомах и непосредственно связана со всеми химическими свойствами . Нейтрино редко с чем-либо взаимодействуют и, следовательно, редко наблюдаются. Нейтрино текут по Вселенной, но редко взаимодействуют с нормальной материей. ^[121]

Лептон эпоха была периодом в эволюции ранней Вселенной , в которой лептоны доминировали массы 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 лептонную эпоху температура Вселенной была все еще достаточно высока для образования пар лептон / антилептон, поэтому лептоны и антилептоны находились в тепловом равновесии. Примерно через 10 секунд после Большого взрыва температура Вселенной упала до точки, при которой пары лептон / антилептон больше не образовывались. ^[122] Большинство лептонов и антилептонов затем уничтожались в результате аннигиляции.реакции, оставляя небольшой остаток лептонов. В следующую фотонную эпоху в массе Вселенной преобладали фотоны . ^{[123] [124]}

Фотоны

Фотон представляет собой квантовый из света , и все другие формы электромагнитного излучения . Это носитель силы для электромагнитной силы , даже когда она статична через виртуальные фотоны . Эффекты этой силы легко наблюдаются на микроскопическом и макроскопическом уровнях, потому что фотон имеет нулевую массу покоя ; это позволяет общаться на большом расстоянии . Как и все элементарные частицы, фотоны в настоящее время лучше всего объясняются квантовой механикой и демонстрируют дуальность волна-частица., проявляя свойства волн и частиц .

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 возникли в процессе нуклеосинтеза, который происходил в первые минуты фотонной эпохи. До конца фотонной эпохи Вселенная содержала горячую плотную плазму.ядер, электронов и фотонов. Примерно через 380000 лет после Большого взрыва температура Вселенной упала до точки, при которой ядра могли объединяться с электронами для создания нейтральных атомов. В результате фотоны перестали часто взаимодействовать с веществом, и Вселенная стала прозрачной. Сильно смещенные в красную область фотоны этого периода формируют космический микроволновый фон. Крошечные колебания температуры и плотности, обнаруживаемые в реликтовом излучении, были ранними «зародышами», из которых происходило все последующее формирование структуры . ^{[117] : 244–66}

Космологические модели

Модель Вселенной на основе общей теории относительности

Общая теория относительности является геометрической теорией о гравитации опубликованного Альберта Эйнштейном в 1915 году и в настоящее время описания 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 импульсомлюбой материи и излучения . 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 во времени. ^[125]

В предположении космологического принципа, что Вселенная однородна и изотропна повсюду, конкретным решением уравнений поля, которое описывает Вселенную, является метрический тензор, называемый метрикой Фридмана – Лемэтра – Робертсона – Уокера ,

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

где ( r , θ, φ) соответствуют сферической системе координат . У этой метрики всего два неопределенных параметра. Общий безразмерный масштабный коэффициент длины R описывает масштаб размеров Вселенной как функцию времени; увеличение R - это расширение Вселенной . ^[126] Индекс кривизны k описывает геометрию. Индекс k определен так, что он может принимать только одно из трех значений: 0, что соответствует плоской евклидовой геометрии ; 1, соответствующему пространству положительной кривизны; или -1, что соответствует пространству положительной или отрицательной кривизны. ^[127] Значение R как функция времени t зависит от k и космологической постоянной Λ . ^[125] Космологическая постоянная представляет собой плотность энергии космического вакуума и может быть связана с темной энергией. ^[86] Уравнение, описывающее, как R изменяется со временем, известно как уравнение Фридмана в честь его изобретателя Александра Фридмана . ^[128]

Решения для R (t) зависят от k и Λ , но некоторые качественные особенности таких решений являются общими. Во-первых, что наиболее важно, масштаб R Вселенной может оставаться постоянным только в том случае, если Вселенная совершенно изотропна с положительной кривизной ( k = 1) и имеет одно точное значение плотности повсюду, как впервые заметил Альберт Эйнштейн . ^[125] Однако это равновесие нестабильно: поскольку вселенная, как известно, неоднородна в меньших масштабах, R должно меняться со временем. Когда Rизменяется, все пространственные расстояния во Вселенной изменяются одновременно; происходит общее расширение или сжатие самого пространства. Это объясняет наблюдение, что галактики кажутся разлетающимися; пространство между ними растягивается. Растяжение пространства также объясняет кажущийся парадокс, заключающийся в том, что две галактики могут находиться на расстоянии 40 миллиардов световых лет друг от друга, хотя они начали с одной и той же точки 13,8 миллиарда лет назад ^[129] и никогда не двигались со скоростью, превышающей скорость света .

Во-вторых, все решения предполагают, что в прошлом существовала гравитационная сингулярность , когда R стремилось к нулю, а материя и энергия были бесконечно плотными. Может показаться, что этот вывод является неопределенным, поскольку он основан на сомнительных предположениях об идеальной однородности и изотропии (космологический принцип) и о том, что только гравитационное взаимодействие имеет значение. Однако теоремы Пенроуза – Хокинга об особенностях показывают, что особенность должна существовать при очень общих условиях. Следовательно, согласно уравнениям поля Эйнштейна, R быстро рос из невообразимо горячего, плотного состояния, существовавшего сразу после этой особенности (когда R имело маленькое конечное значение); это сутьМодель Большого взрыва Вселенной. Для понимания сингулярности Большого взрыва, вероятно, потребуется квантовая теория гравитации , которая еще не сформулирована. ^[130]

В-третьих, индекс кривизны k определяет знак средней пространственной кривизны пространства-времени ^[127], усредненной по достаточно большим масштабам длины (более миллиарда световых лет ). Если k = 1, кривизна положительна и Вселенная имеет конечный объем. ^[131] Вселенная с положительной кривизной часто визуализируется как трехмерная сфера, встроенная в четырехмерное пространство. И наоборот, если k равно нулю или отрицательно, вселенная имеет бесконечный объем. ^[131] Может показаться нелогичным, что бесконечная и в то же время бесконечно плотная Вселенная могла быть создана в одно мгновение во время Большого взрыва, когда R= 0, но именно это предсказывается математически, когда k не равно 1. 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 может вести себя как нормальная вселенная с периодическими граничными условиями .

Конечная судьба Вселенной до сих пор неизвестно , потому что в решающей степени зависит от индекса кривизны к и космологической постоянной Л . Если бы Вселенная была достаточно плотной, к было бы равно +1, что означает , что его средняя кривизна во всем положительна и вселенной, в конечном счете сожмется в Большом хрусте , ^[132] , возможно , начинает новую вселенную в Большой отскок . И наоборот, если бы Вселенная была недостаточно плотной, k было бы равно 0 или -1, и Вселенная расширилась бы вечно, остывая и в конечном итоге достигнув Большого Замерзания и тепловой смерти Вселенной .^[125] Современные данные предполагают, что скорость расширения Вселенной не уменьшается, как ожидалось изначально, а увеличивается; если это будет продолжаться бесконечно, Вселенная может в конечном итоге достичь Большого разрыва . С точки зрения наблюдений Вселенная кажется плоской ( k = 0) с общей плотностью, которая очень близка к критическому значению между повторным сжатием и вечным расширением. ^[133]

Гипотеза мультивселенной

Некоторые умозрительные теории предполагают, что наша Вселенная - это всего лишь одна из набора разрозненных вселенных, коллективно обозначаемых как мультивселенная , бросающих вызов или расширяющих более ограниченные определения вселенной. ^{[19] [134]} Научные модели мультивселенной отличаются от таких концепций, как альтернативные планы сознания и смоделированная реальность .

Макс Тегмарк разработал схему классификации из четырех частей для различных типов мультивселенных, которую ученые предложили в ответ на различные проблемы физики . Примером таких мультивселенных является модель хаотической инфляции ранней Вселенной. ^[135] Другой - мультивселенная, возникшая в результате многомировой интерпретации квантовой механики. В этой интерпретации параллельные миры генерируются аналогично квантовой суперпозиции и декогеренции со всеми состояниями волновых функцийреализуются в отдельных мирах. Фактически, в интерпретации многих миров мультивселенная развивается как универсальная волновая функция . Если бы Большой взрыв, создавший нашу мультивселенную, создал ансамбль мультивселенных, волновая функция этого ансамбля была бы запутанной в этом смысле. ^[136]

Наименее спорная, но по- прежнему весьма спорная, категория мультивселенного в схеме Тегмарка является уровень I . Мультивселенные этого уровня состоят из далеких пространственно-временных событий «в нашей собственной вселенной». Тегмарк и другие ^[137] утверждали, что если пространство бесконечно или достаточно велико и однородно, идентичные экземпляры истории всего тома Хаббла на Земле возникают время от времени просто случайно. Тегмарк подсчитал, что ближайший к нам так называемый двойник находится на расстоянии 10 ^{10 115} метров от нас ( двойная экспоненциальная функция больше, чем гуголплекс ). ^{[138] [139]}Однако используемые аргументы носят умозрительный характер. ^[140] Кроме того, было бы невозможно научно подтвердить существование идентичного тома Хаббла.

Можно представить себе разъединенные пространства-времени, каждое из которых существует, но не может взаимодействовать друг с другом. ^{[138] [141]} Легко визуализируемая метафора этой концепции - это группа отдельных мыльных пузырей , в которой наблюдатели, живущие на одном мыльном пузыре, не могут взаимодействовать с наблюдателями на других мыльных пузырях даже в принципе. ^[142] Согласно одному из общей терминологии, каждый «мыльный пузырь» пространства - времени обозначается как Вселенной , в то время как наш особый пространственно - временной обозначается как Вселенной , ^[19] так же , как мы называем нашу луна Луны . Вся совокупность этих отдельных пространств-времен обозначается как мультивселенная. ^[19]Согласно этой терминологии, разные вселенные не связаны друг с другом причинно . ^[19] В принципе, другие несвязанные вселенные могут иметь разные измерения и топологии пространства-времени, разные формы материи и энергии , а также разные физические законы и физические константы , хотя такие возможности являются чисто умозрительными. ^[19] Другие считают каждый из нескольких пузырей, созданных в результате хаотической инфляции , отдельными вселенными., хотя в этой модели все эти вселенные имеют причинное происхождение. ^[19]

Исторические концепции

Исторически сложилось много идей о космосе (космологии) и его происхождении (космогонии). Теории безличной вселенной, управляемой физическими законами, были впервые предложены греками и индийцами. ^[12] Древняя китайская философия охватывала понятие Вселенной, включая все пространство и все время. ^[143] На протяжении веков улучшения в астрономических наблюдениях и теориях движения и гравитации привели к еще более точным описаниям Вселенной. Современная эра космологии началась с общей теории относительности Альберта Эйнштейна 1915 года., что позволило количественно предсказать происхождение, эволюцию и завершение Вселенной в целом. Большинство современных общепринятых теорий космологии основаны на общей теории относительности и, в частности, на предсказанном Большом взрыве . ^[144]

Мифологии

Во многих культурах есть истории, описывающие происхождение мира и вселенной . Культуры обычно считают, что в этих историях есть доля правды . Однако существует множество различных убеждений относительно того, как эти истории применяются среди тех, кто верит в сверхъестественное происхождение, от бога, непосредственно создавшего вселенную, как она есть сейчас, до бога, просто приводящего «колеса в движение» (например, с помощью таких механизмов, как большой взрыв и эволюция). ^[145]

Этнологи и антропологи, изучающие мифы, разработали различные схемы классификации для различных тем, которые появляются в рассказах о сотворении мира. ^{[146] [147]} Например, в одном типе рассказов мир рождается из мирового яйца ; К таким историям относятся финская эпическая поэма « Калевала» , китайский рассказ о Пангу или индийская Брахманда-пурана . В связанных историях вселенная создана единым существом, излучающим или производящим что-то собой, как в концепции тибетского буддизма Ади-Будды , древнегреческой истории о Гайе.(Мать-Земля), миф ацтекской богини Коатликуэ , история древнеегипетского бога Атума и повествование о сотворении иудео-христианского Бытия, в котором Авраамический Бог создал вселенную. В другом типе историй вселенная создается из 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 из Тиамат в вавилонском эпосе « Энума Элиш» или из гиганта Имира вСкандинавская мифология - или из хаотических материалов, как в Идзанаги и Идзанами в японской мифологии . В других историях, вселенная исходит из основополагающих принципов, такие как Брахман и Пракрити , к созданию миф о Serers , ^[148] или инь и ян в Тао .

Философские модели

В досократических греческих философах и индийские философы разработали некоторые из самых ранних философских концепций Вселенной. ^{[12] [149]} Ранние греческие философы отметили, что видимости могут быть обманчивыми, и стремились понять основную реальность, стоящую за видимостью. В частности, они отметили способность материи изменять формы (например, лед в воду и пар), и несколько философов предположили, что все физические материалы в мире представляют собой разные формы единого первичного материала, или архей . Первым это сделал Фалес , предложивший в качестве материала воды . Ученик Фалеса, Анаксимандр , предположил, что все происходит из безграничногоапейрон . Анаксимен предположил, что первичный материал является воздухом из-за его воспринимаемых привлекательных и отталкивающих качеств, которые заставляют архе уплотняться или диссоциировать на различные формы. Анаксагор предложил принцип Нуса (Разума), а Гераклит предложил огонь (и говорил о логосе ). Эмпедокл предположил, что элементами являются земля, вода, воздух и огонь. Его четырехэлементная модель стала очень популярной. Как и Пифагор , Платон считал, что все состоит из чисел., с элементами Эмпедокла, принимающими форму Платоновых тел . Демокрит и более поздние философы - в первую очередь Левкипп - предположили, что Вселенная состоит из неделимых атомов, движущихся в пустоте ( вакууме ), хотя Аристотель не считал это возможным, потому что воздух, как и вода, оказывает сопротивление движению . Воздух немедленно устремится, чтобы заполнить пустоту, и, более того, без сопротивления он будет делать это бесконечно быстро. ^[12]

Хотя Гераклит выступал за вечное изменение, его современник Парменид высказал радикальное предположение, что все изменения - это иллюзия, что истинная основная реальность вечно неизменна и имеет единую природу. Парменид обозначил эту реальность как τὸ ἐν (Единственный). Идея Парменида показалась многим грекам неправдоподобной, но его ученик Зенон Элейский бросил им вызов, предложив несколько известных парадоксов . Аристотель ответил на эти парадоксы, разработав 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 имеет только конечный мультипликатор.

Индийский философ Kanada , основатель Вайшешика школы, разработал понятие атомизма и предложил , чтобы свет и тепло были разновидности одного и того же вещества. ^[150] В V веке нашей эры буддийский философ- атомист Дигнага предположил, что атомы имеют размер точки, не имеют продолжительности и состоят из энергии. Они отрицали существование субстанциальной материи и предполагали, что движение состоит из мгновенных вспышек потока энергии. ^[151]

Идея временного финитизма была вдохновлена ​​доктриной творения, разделяемой тремя авраамическими религиями : иудаизмом , христианством и исламом . Христианский философ , Джон Филопон , представил философские аргументы против древнегреческого понятия бесконечного прошлого и будущего. Аргументы Филопона против бесконечного прошлого были использованы ранним мусульманским философом , Аль-Кинди (Alkindus); еврейский философ , Саадия Гаон (Саадий бен Иосиф); и мусульманский богослов , Аль-Газали(Альгазель). ^[152]

Астрономические концепции

Астрономические модели Вселенной были предложены вскоре после того, как астрономия началась вавилонскими астрономами , которые рассматривали Вселенную как плоский диск, плавающий в океане, и это стало предпосылкой для ранних греческих карт, таких как карты Анаксимандра и Гекатея Милетского .

Более поздние греческие философы, наблюдая за движением небесных тел, были заинтересованы в разработке моделей Вселенной, более основанных на эмпирических данных . Первую согласованную модель предложил Евдокс Книдский . Согласно физической интерпретации модели Аристотелем, небесные сферы вечно вращаются с равномерным движением вокруг неподвижной Земли. Нормальная материя полностью содержится в земной сфере.

Де Мундо (составленный до 250 г. до н. Э. Или между 350 и 200 г. до н. Э.) Утверждал: «Пять элементов, расположенных в сферах в пяти областях, причем меньший в каждом случае окружен большим, а именно: земля окружена водой, вода - воздухом, воздух огнем, а огонь эфиром - составляют всю вселенную ». ^[153]

Эта модель также была усовершенствована Каллиппом, и после того, как концентрические сферы были оставлены, она была приведена в почти полное соответствие с астрономическими наблюдениями Птолемея . Успех такой модели во многом объясняется 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 счету Стобэя ), что в центре Вселенной находится «центральный огонь», вокруг которого Земля , Солнце , Луна и планетывращались равномерно по кругу. ^[154]

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

Вы, король Гелон, знаете, что вселенная - это название, данное большинством астрономов сфере, центром которой является центр Земли, а ее радиус равен прямой линии между центром Солнца и центром Земли. Земной шар. Это обычная история, о которой вы слышали от астрономов. Но Аристарх выпустил книгу, состоящую из определенных гипотез, из которых, как следствие сделанных предположений, оказывается, что Вселенная во много раз больше, чем только что упомянутая Вселенная. Его гипотеза состоит в том, что неподвижные звезды и Солнце остаются неподвижными, что Земля вращается вокруг Солнца по окружности круга, Солнце находится в середине орбиты, и что сфера неподвижных звезд, расположенных примерно в одном центре как солнце,настолько велика, что круг, по которому, по его предположениям, вращается Земля, имеет такую ​​пропорцию к расстоянию между неподвижными звездами, на которое центр сферы опирается на ее поверхность.

Таким образом, Аристарх полагал, что звезды находятся очень далеко, и видел в этом причину, по которой звездный параллакс не наблюдался, то есть не было замечено, что звезды движутся относительно друг друга, когда Земля движется вокруг Солнца. На самом деле звезды находятся намного дальше, чем предполагалось в древние времена, поэтому звездный параллакс можно обнаружить только с помощью точных инструментов. Предполагалось, что геоцентрическая модель, согласующаяся с планетным параллаксом, объясняет ненаблюдаемость параллакса звездного параллакса. Отвержение гелиоцентрической точки зрения было, по-видимому, довольно сильным, как предполагает следующий отрывок из Плутарха ( О видимом лице в сфере Луны ):

Клеант [современник Аристарха и глава стоиков ] считал долгом греков обвинить Аристарха Самосского в нечестии за то, что он привел в движение Очаг Вселенной [то есть Землю] ... небо, чтобы оставаться в покое, и Земля, чтобы вращаться по наклонной окружности, в то же время она вращается вокруг своей оси

Единственным другим астрономом из древности, известным по имени, который поддерживал гелиоцентрическую модель Аристарха, был Селевк Селевкийский , эллинистический астроном , живший через столетие после Аристарха. ^{[155] [156] [157]} Согласно Плутарху, Селевк был первым, кто доказал гелиоцентрическую систему с помощью рассуждений , но неизвестно, какие аргументы он использовал. Аргументы Селевка в пользу гелиоцентрической космологии, вероятно, были связаны с феноменом приливов и отливов . ^[158] Согласно Страбону(1.1.9) Селевк был первым, кто заявил, что приливы вызваны притяжением Луны, и что высота приливов зависит от положения Луны относительно Солнца. ^{[159] В} качестве альтернативы, он, возможно, доказал гелиоцентричность, определив для нее константы геометрической модели и разработав методы вычисления положения планет с использованием этой модели, как это сделал Николай Коперник позже в 16 веке. ^[160] В средних веках , гелиоцентрические модели были также предложены в Индийском астрономе Арьябхат , ^[161] и с помощью персидских астрономов Albumasar ^[162]и Ас-Сиджи . ^[163]

Модель Аристотеля была принята в западном мире примерно два тысячелетия, пока Коперник не возродил точку зрения Аристарха, согласно которой астрономические данные можно было бы более правдоподобно объяснить, если бы Земля вращалась вокруг своей оси и если бы Солнце было расположено в центре Вселенной.

В центре покоится Солнце. Ибо кто бы поместил этот светильник очень красивого храма в другом или лучшем месте, чем это, откуда он может освещать все одновременно?

-  Николай Коперник в главе 10 книги 1 De Revolutionibus Orbium Coelestrum (1543)

Как отмечал сам Коперник, представление о вращении Земли очень древнее и датируется, по крайней мере, Филолаем (около 450 г. до н.э.), Гераклидом Понтийским (около 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.). ^[164] Аль-Сиджи ^[165] также предположил, что Земля вращается вокруг своей оси. Эмпирические доказательства вращения Земли вокруг своей оси с использованием феномена комет были даны Туси (1201–1274) иАли Кушджи (1403–1474). ^[166]

Эта космология была принята Исааком Ньютоном , Христианом Гюйгенсом и более поздними учеными. ^[167] Эдмунд Галлей (1720 г.) ^[168] и Жан-Филипп де Шезо (1744 г.) ^[169] независимо отметили, что предположение о бесконечном пространстве, равномерно заполненном звездами, приведет к предсказанию, что ночное небо будет таким же ярким, как само Солнце; в XIX веке это стало известно как парадокс Ольберса . ^[170] Ньютон полагал, что бесконечное пространство, равномерно заполненное материей, вызовет бесконечные силы и нестабильность, заставляя материю раздавливаться внутрь под действием собственной гравитации. ^[167]Эта нестабильность была прояснена в 1902 г. критерием нестабильности Джинса . ^[171] Одним из решений этих парадоксов является Вселенная Шарлье , в которой материя организована иерархически (системы вращающихся тел, которые сами вращаются по орбите в более крупной системе, до бесконечности ) фрактальным образом, так что Вселенная имеет пренебрежимо малую в целом плотность; такая космологическая модель была также предложена ранее в 1761 году Иоганном Генрихом Ламбертом . ^{[51] [172]} Значительным астрономическим достижением 18 века было открытие Томасом Райтом , Иммануилом Кантом и другими туманностями.. ^[168]

В 1919 году, когда был построен телескоп Хукера , преобладало мнение, что Вселенная полностью состоит из Галактики Млечный Путь. Используя телескоп Хукера, Эдвин Хаббл идентифицировал цефеидные переменные в нескольких спиральных туманностях и в 1922–1923 годах убедительно доказал, что туманность Андромеды и Треугольник, среди прочих, были целыми галактиками за пределами нашей собственной, тем самым доказав, что Вселенная состоит из множества галактик. ^[173]

Современная эра физической космологии началась в 1917 году, когда Альберт Эйнштейн впервые применил свою общую теорию относительности для моделирования структуры и динамики Вселенной. ^[174]

Смотрите также

Рекомендации

Сноски

Цитаты

Библиография

• Бартель, Леендерт ван дер Варден (1987). «Гелиоцентрическая система в греческой, персидской и индуистской астрономии». Летопись Нью-Йоркской академии наук . 500 (1): 525–45. Bibcode : 1987NYASA.500..525V . DOI : 10.1111 / j.1749-6632.1987.tb37224.x . S2CID  222087224 .
• Ландау Л , Лифшиц Э. (1975). Классическая теория полей (курс теоретической физики) . 2 (переработанное 4-е английское изд.). Нью-Йорк: Pergamon Press. С. 358–97. 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; Уиллер ; JA (1973). Гравитация . Сан-Франциско: WH Freeman. С. 703–816. ISBN 978-0-7167-0344-0.
• Рейн, диджей; Томас, EG (2001). Введение в науку космологию . Издательский институт Физики.
• Риндлер, В. (1977). Существенная теория относительности: специальная, общая и космологическая . Нью-Йорк: Springer Verlag. С. 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.

внешняя ссылка

Послушайте эту статью
(4 части, 1 час 13 минут )

Эти аудиофайлы были созданы на основе редакции этой статьи от 13 июня 2012 г. и не отражают последующие правки. (2012-06-13)

( Аудио справка  · Больше устных статей )

• Внегалактическая база данных НАСА / IPAC (NED)
• NED-Расстояния
• Вот почему мы никогда не узнаем все о нашей Вселенной - Forbes , май 2019 г.