«Любопытные дети» — это серия передач для детей всех возрастов. Если у вас есть вопрос, на который вы хотели бы получить ответ от эксперта, отправьте его по адресу curiouskidsus@theconversation.com.
Во что расширяется Вселенная, если она уже бесконечна? – Маэль, 10 лет, Миссула, Монтана
Когда вы печете буханку хлеба или партию кексов, вы кладете тесто в форму. Во время выпекания в духовке тесто расширяется и заполняет форму. Шоколадные чипсы или черника в тесте для кексов оказываются дальше друг от друга по мере расширения теста.
Расширение Вселенной в некотором смысле похоже. Но эта аналогия ошибается в одном: в то время как тесто расширяется в форму для выпечки, Вселенной не во что расширяться. Она просто расширяется сама в себя.
Это может показаться головоломкой, но Вселенная — это всё, что находится внутри Вселенной. В расширяющейся Вселенной нет сковороды. Есть только тесто. Даже если бы сковорода существовала, она была бы частью Вселенной и, следовательно, расширялась бы вместе со сковородой.
Даже мне, профессору физики и астрономии, изучающему Вселенную уже много лет, эти идеи трудно понять. В повседневной жизни ничего подобного не встретишь. Это всё равно что спросить, в каком направлении севернее Северного полюса.
Другой способ осмыслить расширение Вселенной — это представить, как другие галактики удаляются от нашей галактики, Млечного Пути. Ученые знают, что Вселенная расширяется, потому что они могут отслеживать другие галактики по мере их удаления от нашей. Они определяют расширение, используя скорость, с которой другие галактики удаляются от нас. Это определение позволяет им представить расширение, не нуждаясь в чем-то, во что оно могло бы расширяться.
Расширяющаяся Вселенная
Вселенная зародилась в результате Большого взрыва 13,8 миллиарда лет назад. Теория Большого взрыва описывает происхождение Вселенной как чрезвычайно плотную, горячую сингулярность. Эта крошечная точка внезапно подверглась быстрому расширению, называемому инфляцией, в результате которого каждое место во Вселенной расширилось наружу. Но название «Большой взрыв» вводит в заблуждение. Это был не гигантский взрыв, как предполагает название, а период, когда Вселенная быстро расширялась.
Затем Вселенная быстро сконденсировалась и остыла, начав создавать материю и свет. В конечном итоге она эволюционировала в то, что мы сегодня знаем как нашу Вселенную.
Идея о том, что наша Вселенная не статична и может расширяться или сжиматься, впервые была опубликована физиком Александром Фридманом в 1922 году. Он математически подтвердил, что Вселенная расширяется.
Хотя Фридман доказал, что Вселенная расширяется, по крайней мере, в некоторых местах, именно Эдвин Хаббл глубже изучил темпы расширения. Многие другие ученые подтвердили, что другие галактики удаляются от Млечного пути, но в 1929 году Хаббл опубликовал свою знаменитую работу, которая подтвердила, что вся Вселенная расширяется, и что темпы этого расширения возрастают.
Это открытие продолжает озадачивать астрофизиков. Какое явление позволяет Вселенной преодолевать силу гравитации, удерживающую её вместе, и одновременно расширяться, притягивая объекты во Вселенной друг к другу? И вдобавок ко всему, скорость её расширения со временем ускоряется.
Многие учёные используют визуальный образ, называемый воронкой расширения, чтобы описать, как ускорилось расширение Вселенной со времён Большого взрыва. Представьте себе глубокую воронку с широким краем. Левая сторона воронки — узкий конец — представляет собой начало Вселенной. По мере движения вправо вы движетесь вперёд во времени. Расширение конуса символизирует расширение Вселенной.
Учёные до сих пор не смогли напрямую измерить источник энергии, вызывающей это ускоренное расширение. Они не смогли её обнаружить или измерить. Поскольку они не могут увидеть или непосредственно измерить этот тип энергии, они называют её тёмной энергией.
Согласно моделям исследователей, тёмная энергия должна быть наиболее распространённой формой энергии во Вселенной, составляя около 68% от всей энергии Вселенной. Энергия, получаемая из обычной материи, из которой состоят Земля, Солнце и всё, что мы видим, составляет лишь около 5% от всей энергии.
Вне воронки расширения
Итак, что находится за пределами воронки расширения?
У учёных нет доказательств существования чего-либо за пределами известной нам Вселенной. Однако некоторые предсказывают, что может существовать несколько вселенных. Модель, включающая несколько вселенных, могла бы решить некоторые проблемы, с которыми сталкиваются учёные при работе с существующими моделями нашей Вселенной.
Одна из главных проблем современной физики заключается в том, что исследователи не могут интегрировать квантовую механику, описывающую работу физики в очень малых масштабах, и гравитацию, управляющую физикой в больших масштабах.
Правила поведения материи в малом масштабе зависят от вероятности и квантованных, или фиксированных, количеств энергии. В этом масштабе объекты могут возникать и исчезать. Материя может вести себя как волна. Квантовый мир сильно отличается от того, как мы видим мир.
В больших масштабах, которые физики называют классической механикой, объекты ведут себя так, как мы ожидаем от них в повседневной жизни. Объекты не квантуются и могут обладать непрерывным количеством энергии. Объекты не появляются и не исчезают бесследно.
Квантовый мир ведёт себя подобно выключателю света, где энергия имеет только два режима: включено и выключено. Мир, который мы видим и с которым взаимодействуем, ведёт себя как регулятор яркости, позволяющий регулировать уровень энергии.
Однако исследователи сталкиваются с проблемами, когда пытаются изучать гравитацию на квантовом уровне. На малом масштабе физикам пришлось бы предположить, что гравитация квантована. Но исследования, проведенные многими из них, не подтверждают эту идею.
Один из способов заставить эти теории работать вместе — это теория мультивселенной. Существует множество теорий, которые выходят за пределы нашей нынешней Вселенной, чтобы объяснить, как гравитация и квантовый мир взаимодействуют. К числу ведущих теорий относятся теория струн, бранная космология, петлевая квантовая теория и многие другие.
Тем не менее, Вселенная будет продолжать расширяться, и расстояние между Млечным Путем и большинством других галактик со временем будет увеличиваться.
Здравствуйте, любознательные дети! У вас есть вопрос, на который вы хотели бы получить ответ от эксперта? Попросите взрослого отправить ваш вопрос на адрес CuriousKidsUS@theconversation.com. Пожалуйста, укажите ваше имя, возраст и город проживания.
А поскольку любопытство не имеет возрастных ограничений, взрослые, расскажите нам, что вас тоже интересует. Мы не сможем ответить на каждый вопрос, но постараемся сделать все возможное.
Эта статья перепечатана с сайта The Conversation, некоммерческого независимого новостного ресурса, предоставляющего факты и достоверный анализ, которые помогут вам разобраться в нашем сложном мире. Автор статьи: Николь Грануччи, Университет Куиннипиак.
Читать далее:
-
Из чего состоит космос? Эксперт по астрофизике объясняет все компоненты — от излучения до темной материи — которые находятся в вакууме космического пространства.
-
Космос заканчивается или простирается бесконечно?
-
Существуют ли планеты за пределами нашей Солнечной системы?
Николь Грануччи не работает, не консультирует, не владеет акциями и не получает финансирования от каких-либо компаний или организаций, которые могли бы извлечь выгоду из этой статьи, и не раскрыла никаких соответствующих связей, помимо своей академической должности.