Вселенная — это все пространство и время [a] и их содержимое. [10] Она охватывает все существование , любое фундаментальное взаимодействие , физический процесс и физическую константу , и, следовательно, все формы материи и энергии , а также структуры, которые они образуют, от субатомных частиц до целых галактических нитей . С начала 20-го века область космологии устанавливает , что пространство и время возникли вместе в Большом взрыве 13,787 ± 0,020 миллиарда лет назад [11] и что Вселенная впоследствии расширилась . Сегодня Вселенная расширилась до возраста и размера, которые лишь частично наблюдаются с Земли ; в то время как пространственный размер всей Вселенной неизвестен, меньшая наблюдаемая Вселенная в настоящее время составляет приблизительно 93 миллиарда световых лет в диаметре. [3]
Некоторые из самых ранних космологических моделей Вселенной были разработаны древнегреческими и индийскими философами и были геоцентрическими , помещая Землю в центр. [12] [13] На протяжении столетий 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 на законы движения планет Иоганна Кеплера и наблюдения Тихо Браге .
Дальнейшие улучшения наблюдений привели к осознанию того, что Солнце является одной из нескольких сотен миллиардов звезд в Млечном Пути , который является одной из нескольких сотен миллиардов галактик в наблюдаемой Вселенной. Многие звезды в галактике имеют планеты . В самом большом масштабе галактики распределены равномерно и одинаково во всех направлениях, что означает, что Вселенная не имеет ни края, ни центра. В меньших масштабах галактики распределены в скоплениях и сверхскоплениях , которые образуют огромные нити и пустоты в пространстве, создавая огромную пенистую структуру. [14] Открытия в начале 20-го века предположили, что Вселенная имела начало и с тех пор расширяется. [15]
Согласно теории Большого взрыва, изначально присутствовавшие энергия и материя стали менее плотными по мере расширения Вселенной. После начального ускоренного расширения, называемого инфляционной эпохой, примерно в 10 −32 секунд, и разделения четырех известных фундаментальных сил , Вселенная постепенно остыла и продолжила расширяться, что позволило сформироваться первым субатомным частицам и простым атомам . Гигантские облака водорода и гелия постепенно стягивались в места, где материя была наиболее плотной , образуя первые галактики, звезды и все остальное, что мы видим сегодня.
Изучая влияние гравитации на материю и 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 . [16] В широко принятой космологической модели ΛCDM темная материя составляет около25,8% ± 1,1% массы и энергии во Вселенной, в то время как около69,2% ± 1,2% — это темная энергия , таинственная форма энергии, ответственная за ускорение расширения Вселенной . [17] Обычная (« барионная ») материя поэтому состоит только из4,84% ± 0,1% Вселенной. [17] Звезды, планеты и видимые газовые облака составляют лишь около 6% этой обычной материи. [18]
Существует множество конкурирующих гипотез о конечной судьбе вселенной и о том, что, если что-то и предшествовало Большому взрыву, в то время как другие физики и философы отказываются строить предположения, сомневаясь, что информация о предыдущих состояниях когда-либо будет доступна. Некоторые физики предложили различные гипотезы мультивселенной , в которых вселенная может быть одной из многих. [3] [19] [20]
Физическая вселенная определяется как все пространство и время [a] (совместно именуемые пространством-временем ) и их содержимое. [10] 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 . [21] [22] [23] Вселенная также включает в себя физические законы , которые влияют на энергию и материю, такие как законы сохранения , классическая механика и теория относительности . [24]
Вселенную часто определяют 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 концепций, таких как математика и логика, в определение вселенной. [26] [27] [28] Слово вселенная может также относиться к таким концепциям, как космос , мир и природа . [29] [30]
Слово « вселенная » происходит от старофранцузского слова univers , которое, в свою очередь, происходит от латинского слова universus , означающего «объединенный в одно». [31] Латинское слово «universum» использовалось Цицероном и более поздними латинскими авторами во многих из тех же значений, в которых используется современное английское слово. [32]
Термином для обозначения вселенной среди древнегреческих философов, начиная с Пифагора , было τὸ πᾶν ( tò pân ) «всё», определяемое как вся материя и всё пространство, и τὸ ὅλον ( tò hólon ) «всё», что не обязательно включало пустоту. [33] [34] Другим синонимом было ὁ κόσμος ( ho kósmos ), что означает « мир , космос ». [35] Синонимы также встречаются у латинских авторов ( totum , mundus , natura ) [36] и сохранились в современных языках, например, немецкие слова Das All , Weltall и Natur для обозначения вселенной . Те же синонимы встречаются в английском языке, например, everything (как в theory of everything ), the cosmos (как в cosmology ), the world (как в many-worlds interpretation ) и nature (как в natural laws или natural philosophy ). [37]
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 Вселенная впоследствии 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 обеспечивает достаточно хорошее описание различных наблюдений о Вселенной.
Первоначальное горячее, плотное состояние называется эпохой Планка , краткий период, простирающийся от нулевого времени до одной единицы планковского времени, составляющей 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 — как полагают, была такой же сильной, как и другие фундаментальные силы, и все силы могли быть объединены . Физика, контролирующая этот очень ранний период (включая квантовую гравитацию в эпоху Планка), не понята, поэтому мы не можем сказать, что, если что-то произошло, до нулевого времени . Со времени эпохи Планка Вселенная расширялась до своих нынешних масштабов, с очень коротким, но интенсивным периодом космической инфляции, предположительно произошедшим в течение первых 10−32 секунд. [40] Этот начальный период инфляции объяснил бы, почему пространство кажется очень плоским .
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 связывались во все более крупные комбинации, включая стабильные протоны и нейтроны , которые затем образовывали более сложные атомные ядра посредством ядерного синтеза . [41] [42]
Этот процесс, известный как нуклеосинтез Большого взрыва , продолжался около 17 минут и закончился примерно через 20 минут после Большого взрыва, поэтому произошли только самые быстрые и простые реакции. Около 25% протонов и всех нейтронов во Вселенной по массе были преобразованы в гелий с небольшим количеством дейтерия ( форма водорода ) и следами лития . Любой другой элемент был образован только в очень малых количествах. Остальные 75% протонов остались незатронутыми, как ядра водорода . [41] [42] : 27–42
После того, как нуклеосинтез закончился, Вселенная вступила в период, известный как эпоха фотонов . В течение этого периода Вселенная была все еще слишком горячей для того, чтобы материя могла образовывать нейтральные атомы , поэтому она содержала горячую, плотную, туманную плазму отрицательно заряженных электронов , нейтральных нейтрино и положительных ядер. Примерно через 377 000 лет Вселенная остыла достаточно, чтобы электроны и ядра смогли 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, высвобождаемые (« разъединяемые »), когда эти атомы образовывались, все еще можно увидеть сегодня; они образуют космический микроволновый фон (CMB). [42] : 15–27
По мере расширения Вселенной плотность энергии электромагнитного излучения уменьшается быстрее, чем плотность материи , поскольку энергия каждого фотона уменьшается по мере его космологического смещения в красную область спектра . 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 эпохи доминирования излучения и начало эпохи доминирования материи . [43] : 390
На самых ранних стадиях Вселенной крошечные колебания в пределах плотности Вселенной привели к постепенному формированию концентраций темной материи . Обычная материя, притягиваемая к ним гравитацией , 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, [43] : 333 образовались первые звезды , известные как звезды Популяции III . Они, вероятно, были очень массивными, светящимися, неметаллическими и недолговечными. Они были ответственны за постепенную реионизацию Вселенной между примерно 200–500 миллионами лет и 1 миллиардом лет, а также за засевание Вселенной элементами тяжелее гелия посредством звездного нуклеосинтеза . [44]
Вселенная также содержит таинственную энергию — возможно, скалярное поле — называемую темной энергией , плотность которой не меняется со временем. Примерно через 9,8 миллиарда лет вселенная расширилась достаточно, чтобы плотность материи стала меньше плотности темной энергии, что ознаменовало начало нынешней эпохи доминирования темной энергии . [45] В эту эпоху расширение вселенной ускоряется из-за темной энергии.
Из четырех фундаментальных взаимодействий гравитация является доминирующей в астрономических масштабах длины. Эффекты гравитации являются кумулятивными; в отличие от этого, эффекты положительных и отрицательных зарядов имеют тенденцию нейтрализовать друг друга, делая электромагнетизм относительно незначительным в астрономических масштабах длины. Оставшиеся два взаимодействия, слабые и сильные ядерные силы , очень быстро уменьшаются с расстоянием; их эффекты ограничиваются в основном субатомными масштабами длины. [46] : 1470
Во Вселенной, по-видимому, гораздо больше материи , чем антиматерии , асимметрия, возможно, связанная с нарушением CP . [47] Этот дисбаланс между материей и антиматерией частично ответственен за существование всей материи, существующей сегодня, поскольку материя и антиматерия, если бы они были в равной степени созданы при Большом взрыве , полностью уничтожили бы друг друга и оставили бы только фотоны в результате их взаимодействия. [48] Эти законы — закон Гаусса и недивергенция псевдотензора напряжения-энергии-импульса . [49]
Из-за конечной скорости света существует предел (известный как горизонт частиц ) того, как далеко свет может пройти за возраст Вселенной . Пространственная область, из которой мы можем получить свет, называется наблюдаемой Вселенной . Правильное расстояние (измеренное в фиксированное время) между Землей и краем наблюдаемой Вселенной составляет 46 миллиардов световых лет [50] [51] (14 миллиардов парсеков ), что делает диаметр наблюдаемой Вселенной примерно 93 миллиарда световых лет (28 миллиардов парсеков). [50] Хотя расстояние, пройденное светом от края наблюдаемой Вселенной, близко к возрасту Вселенной , умноженному на скорость света, 13,8 миллиарда световых лет (4,2 × 10 9 пк), правильное расстояние больше, поскольку край наблюдаемой Вселенной и Земля с тех пор отодвинулись друг от друга. [52]
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). [53] Например, Млечный Путь имеет диаметр примерно 100 000–180 000 световых лет, [54] [55] а ближайшая к Млечному Пути галактика-сестра, галактика Андромеды , находится примерно в 2,5 миллионах световых лет от нас. [56]
Поскольку люди не могут наблюдать пространство за пределами наблюдаемой Вселенной, неизвестно, является ли размер Вселенной в целом конечным или бесконечным. [3] [57] [58] Оценки показывают, что вся Вселенная, если она конечна, должна быть более чем в 250 раз больше сферы Хаббла . [59] Некоторые спорные [60] оценки общего размера Вселенной, если она конечна, достигают мегапарсеков, как следует из предлагаемого решения Предложения об отсутствии границ . [61] [b] Такие модели, как теория струн, предполагают, что Вселенная может быть бесконечной, и что сознательные существа просто воспринимают только пространство-время, в котором они могут жить . [3]
Если предположить, что модель Лямбда-CDM верна, то 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. [2]
Со временем вселенная и ее содержимое эволюционировали. Например, относительное население квазаров и галактик изменилось [62] , и вселенная расширилась . Это расширение выведено из наблюдения, что свет от далеких галактик был смещен в красную область , что подразумевает, что галактики удаляются от нас. Анализ сверхновых типа Ia показывает, что расширение ускоряется . [63] [64]
Чем больше материи во вселенной, тем сильнее взаимное гравитационное притяжение материи. Если бы вселенная была слишком плотной, то она бы снова схлопнулась в гравитационную сингулярность . Однако, если бы вселенная содержала слишком мало материи, то самогравитация была бы слишком слабой для образования астрономических структур, таких как галактики или планеты. После Большого взрыва вселенная расширялась монотонно . Возможно, неудивительно , что наша вселенная имеет как раз правильную плотность массы-энергии , эквивалентную примерно 5 протонам на кубический метр, что позволило ей расширяться в течение последних 13,8 миллиардов лет, что дало время сформировать вселенную, наблюдаемую сегодня. [65] [66]
На частицы во Вселенной действуют динамические силы, которые влияют на скорость расширения. До 1998 года предполагалось, что скорость расширения будет уменьшаться с течением времени из-за влияния гравитационных взаимодействий во Вселенной; и, таким образом, во Вселенной есть дополнительная наблюдаемая величина, называемая параметром замедления , который, как ожидало большинство космологов, должен быть положительным и связанным с плотностью материи Вселенной. В 1998 году параметр замедления был измерен двумя разными группами и оказался отрицательным, приблизительно −0,55, что технически означает, что вторая производная космического масштабного фактора была положительной в течение последних 5–6 миллиардов лет. [67] [68]
Современная физика рассматривает события как организованные в пространстве-времени . [69] Эта идея возникла из специальной теории относительности , которая предсказывает, что если один наблюдатель видит два события, происходящих в разных местах в одно и то же время, второй наблюдатель, движущийся относительно первого, увидит эти события, происходящие в разное время. [70] : 45–52 Два наблюдателя будут расходиться во мнениях относительно времени между событиями, и они будут расходиться во мнениях относительно расстояния, разделяющего события, но они будут согласны относительно скорости света , и они будут измерять одно и то же значение для комбинации . [70] : 80 Квадратный корень из абсолютного значения этой величины называется интервалом между двумя событиями. Интервал выражает, насколько широко разделены события, не только в пространстве или во времени, но и в объединенной обстановке пространства-времени. [70] : 84, 136 [71]
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 гравитационная сила переосмысливается как кривизна пространства -времени . Искривленный путь, подобный орбите, является не результатом силы, отклоняющей тело от идеальной прямолинейной траектории, а скорее попыткой тела свободно падать через фон, который сам по себе искривлен присутствием других масс. Замечание Джона Арчибальда Уиллера , ставшее поговоркой среди физиков, резюмирует теорию: «Пространство-время говорит материи, как двигаться; материя говорит пространству-времени, как искривляться», [72] [73] и поэтому нет смысла рассматривать одно без другого. [15] Ньютоновская теория гравитации является хорошим приближением к предсказаниям общей теории относительности, когда гравитационные эффекты слабы, а объекты движутся медленно по сравнению со скоростью света. [74] : 327 [75]
Связь между распределением материи и кривизной пространства-времени задается уравнениями поля Эйнштейна , для выражения которых требуется тензорное исчисление . [76] : 43 [77] 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 наблюдается очень близким к плоскому (с кривизной, близкой к нулю), что означает, что евклидова геометрия эмпирически верна с высокой точностью на протяжении большей части вселенной. [78] Пространство-время также представляется односвязным по топологии , по аналогии со сферой, по крайней мере, в масштабе длины наблюдаемой вселенной. Однако современные 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 пространств . [79] [80]
Общая теория относительности описывает, как пространство-время искривляется и сгибается массой и энергией (гравитацией). Топология или геометрия вселенной включает как локальную геометрию в наблюдаемой вселенной, так и глобальную геометрию . Космологи часто работают с заданным пространственно-подобным срезом пространства-времени, называемым сопутствующими координатами . Часть пространства-времени, которую можно наблюдать, — это обратный световой конус , который ограничивает космологический горизонт . Космологический горизонт, также называемый горизонтом частиц или световым горизонтом, — это максимальное расстояние, с которого частицы могли пройти до наблюдателя за время существования вселенной . Этот горизонт представляет собой границу между наблюдаемыми и ненаблюдаемыми областями вселенной. [81] [82]
Важным параметром, определяющим будущую эволюцию теории вселенной, является параметр плотности , Омега (Ω), определяемый как средняя плотность материи вселенной, деленная на критическое значение этой плотности. Это выбирает одну из трех возможных геометрий в зависимости от того, равно ли Ω, меньше или больше 1. Они называются, соответственно, плоской, открытой и закрытой вселенными. [83]
Наблюдения, включая Cosmic Background Explorer (COBE), Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) и карты реликтового излучения Planck , предполагают, что Вселенная бесконечна по протяженности и имеет конечный возраст, как описано в моделях Фридмана–Лемэтра–Робертсона–Уокера (FLRW). [84] [79] [85] [86] Таким образом, эти модели FLRW поддерживают инфляционные модели и стандартную модель космологии, описывая плоскую , однородную Вселенную, в настоящее время во власти темной материи и темной энергии . [87] [88]
Гипотеза тонко настроенной вселенной — это предположение о том, что условия, которые допускают 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 любая из нескольких фундаментальных констант отличалась лишь немного, вселенная вряд ли способствовала бы возникновению и развитию материи , астрономических структур, элементарного разнообразия или жизни, как ее понимают. Является ли это правдой и имеет ли этот вопрос вообще логический смысл, являются предметом многочисленных споров. [89] Это предположение обсуждается среди философов , ученых , теологов и сторонников креационизма . [90]
Вселенная почти полностью состоит из темной энергии, темной материи и обычной материи . Другие составляющие — электромагнитное излучение (по оценкам, составляющее от 0,005% до почти 0,01% от общей массы-энергии вселенной) и антиматерия . [91] [92] [93]
Пропорции всех типов материи и энергии менялись на протяжении истории Вселенной. [94] Общее количество электромагнитного излучения, генерируемого во Вселенной, уменьшилось на 1/2 за последние 2 миллиарда лет. [95] [96] Сегодня обычная материя, которая включает атомы, звезды, галактики и жизнь , составляет всего 4,9% содержимого Вселенной. [8] Текущая общая плотность этого типа материи очень низкая, примерно 4,5 × 10−31 грамм на кубический сантиметр, что соответствует плотности порядка всего одного протона на каждые четыре кубических метра объема. [6] Природа как темной энергии, так 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 заставляет Вселенную ускоряться, составляет оставшиеся 68,3% содержимого. [8] [97] [98]
Материя, темная материя и темная энергия равномерно распределены по всей Вселенной в масштабах длины более 300 миллионов световых лет (ly) или около того. [99] Однако в более коротких масштабах длины материя имеет тенденцию к иерархическому сгущению; многие атомы конденсируются в звезды , большинство звезд в галактики, большинство галактик в скопления, сверхскопления и, наконец, крупномасштабные галактические нити . Наблюдаемая Вселенная содержит около 2 триллионов галактик [100] [101] [102] и, в целом, около 10 24 звезд [103] [104] — больше звезд (и планет земного типа), чем все песчинки пляжного песка на планете Земля ; [105] [106] [107] но меньше общего числа атомов во Вселенной, оцениваемого в 10 82 ; [108] и предполагаемое общее число звезд в инфляционной Вселенной (наблюдаемых и ненаблюдаемых), как 10 100 . [109] Типичные галактики варьируются от карликов с всего лишь десятью миллионами [110] (10 7 ) звезд до гигантов с одним триллионом [111] (10 12 ) звезд. Между более крупными структурами находятся пустоты , которые обычно имеют диаметр 10–150 Мпк (33 миллиона–490 миллионов световых лет). Млечный Путь находится в Местной группе галактик, которая, в свою очередь, находится в Сверхскоплении Ланиакея . [112] Это сверхскопление охватывает более 500 миллионов световых лет, в то время как Местная группа охватывает более 10 миллионов световых лет. [113] Вселенная также имеет обширные области относительной пустоты; самая большая известная пустота имеет размеры 1,8 миллиарда световых лет (550 Мпк) в поперечнике. [114]
Наблюдаемая вселенная изотропна в масштабах, значительно больших, чем сверхскопления, что означает, что статистические свойства вселенной одинаковы во всех направлениях, наблюдаемых с Земли. Вселенная купается в высокоизотропном микроволновом излучении , которое соответствует тепловому равновесному спектру черного тела примерно 2,72548 кельвина . [7] Гипотеза о том, что крупномасштабная вселенная однородна и изотропна, известна как космологический принцип . [116] Вселенная, которая является как однородной, так и изотропной, выглядит одинаково со всех точек зрения и не имеет центра. [117] [118]
Объяснение того, почему расширение Вселенной ускоряется, остается неуловимым. Его часто приписывают гравитационному влиянию «темной энергии», неизвестной формы энергии, которая, как предполагается, пронизывает пространство. [119] На основе эквивалентности массы и энергии плотность темной энергии (~ 7 × 10−30 г /см3 ) намного меньше плотности обычной материи или темной материи внутри галактик. Однако в нынешнюю эпоху темной энергии она доминирует над массой и энергией Вселенной, поскольку она однородна в пространстве. [120] [121]
Две предложенные формы для темной энергии — это космологическая постоянная , постоянная плотность энергии, однородно заполняющая пространство, [122] и скалярные поля, такие как квинтэссенция или модули , динамические величины, плотность энергии которых может меняться во времени и пространстве, при этом все еще проникая в них достаточно, чтобы вызывать наблюдаемую скорость расширения. Вклады скалярных полей, которые постоянны в пространстве, обычно также включаются в космологическую постоянную. Космологическую постоянную можно сформулировать как эквивалентную энергии вакуума .
Темная материя — гипотетический вид материи , невидимый для всего электромагнитного спектра , но составляющий большую часть материи во Вселенной. Существование и свойства темной материи выводятся из ее гравитационного воздействия 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 испускает 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 общей материи во Вселенной. [97] [123]
Оставшиеся 4,9% массы-энергии Вселенной — это обычная материя, то есть атомы , ионы , электроны и объекты, которые они образуют. Эта материя включает звезды , которые производят почти весь свет, который мы видим из галактик, а также межзвездный газ в межзвездной и межгалактической среде, планеты и все объекты из повседневной жизни, в которые мы можем врезаться, потрогать или сжать. [124] 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-энергии Вселенной. [125] [126] [127]
Обычная материя обычно существует в четырех состояниях (или фазах ): твердом , жидком , газообразном и плазменном . [128] Однако достижения в экспериментальной технике выявили другие ранее теоретические фазы, такие как конденсаты Бозе-Эйнштейна и фермионные конденсаты . [129] [130] Обычная материя состоит из двух типов элементарных частиц : кварков и лептонов . [131] Например, протон состоит из двух верхних кварков и одного нижнего кварка ; нейтрон состоит из двух нижних кварков и одного верхнего кварка; а электрон является разновидностью лептона. Атом состоит из атомного ядра , состоящего из протонов и нейтронов (оба из которых являются барионами ), и электронов, которые вращаются вокруг ядра. [46] : 1476
Вскоре после Большого взрыва первичные протоны и нейтроны образовались из кварк-глюонной плазмы ранней Вселенной, когда она остыла ниже двух триллионов градусов. Несколько минут спустя, в процессе, известном как нуклеосинтез Большого взрыва , из первичных протонов и нейтронов образовались ядра. Этот нуклеосинтез образовал более легкие элементы, с малыми атомными числами вплоть до лития и бериллия , но обилие более тяжелых элементов резко упало с увеличением атомного числа. Некоторое количество бора могло образоваться в это время, но следующий более тяжелый элемент, углерод , не был образован 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 . [132]
Обычная материя и силы, которые действуют на материю, могут быть описаны в терминах элементарных частиц . [133] Эти частицы иногда описываются как фундаментальные, поскольку они имеют неизвестную субструктуру, и неизвестно, состоят ли они из более мелких и даже более фундаментальных частиц. [134] [135] В большинстве современных моделей они рассматриваются как точки в пространстве. [136] Все элементарные частицы в настоящее время лучше всего объясняются квантовой механикой и демонстрируют корпускулярно-волновой дуализм : их поведение имеет как корпускулярные, так и волновые аспекты, с различными характеристиками, доминирующими в различных обстоятельствах. [137]
Центральное значение имеет Стандартная модель , теория, которая занимается электромагнитными взаимодействиями, а также слабыми и сильными ядерными взаимодействиями. [138] Стандартная модель поддерживается экспериментальным подтверждением существования частиц, которые составляют материю: кварков и лептонов , и их соответствующих дуалов « антиматерии », а также частиц силы, которые опосредуют взаимодействия : фотона , W- и Z-бозонов и глюона . [134] Стандартная модель предсказала существование недавно открытого бозона Хиггса , частицы, которая является проявлением поля во вселенной, которое может наделять частицы массой. [139] [140] Из-за ее успеха в объяснении широкого спектра экспериментальных результатов Стандартная модель иногда рассматривается как «теория почти всего». [138] Однако Стандартная модель не учитывает гравитацию. Истинная «теория всего» силы-частицы не была достигнута. [141]
Адрон — это составная 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 протоны стабильны, а нейтроны, связанные с атомными ядрами, стабильны. Другие адроны нестабильны в обычных условиях и, таким образом, являются незначительными составляющими современной Вселенной. [142] : 118–123
Примерно через 10−6 секунд после Большого взрыва , в течение периода, известного как эпоха адронов , температура Вселенной упала достаточно, чтобы позволить кваркам объединиться в адроны, и масса Вселенной доминировала адроны . Первоначально температура была достаточно высокой, чтобы позволить образоваться парам адрон-антиадронов, которые поддерживали материю и антиматерию в тепловом равновесии . Однако, поскольку температура Вселенной продолжала падать, пары адрон-антиадронов больше не образовывались. Большинство адронов и антиадронов затем были устранены в реакциях аннигиляции частица-античастица , оставив небольшой остаток адронов к тому времени, когда Вселенной было около одной секунды. [142] : 244–266
Лептон — это элементарная частица с полуцелым спином , которая не подвергается сильным взаимодействиям, но подчиняется принципу исключения Паули ; никакие два лептона одного вида не могут находиться в одном и том же состоянии одновременно. [143] Существуют два основных класса лептонов: заряженные лептоны (также известные как электронноподобные лептоны) и нейтральные лептоны (более известные как нейтрино ). Электроны стабильны и являются наиболее распространенными заряженными лептонами во Вселенной, тогда как мюоны и тау — нестабильные частицы, которые быстро распадаются после образования в столкновениях с высокой энергией , таких как столкновения с участием космических лучей или в ускорителях частиц . [144] [145] Заряженные лептоны могут объединяться с другими частицами, образуя различные составные частицы, такие как атомы и позитроний . Электрон управляет почти всей химией , поскольку он находится в атомах и напрямую связан со всеми химическими свойствами . Нейтрино редко взаимодействуют с чем-либо и, следовательно, редко наблюдаются. Нейтрино циркулируют по всей Вселенной, но редко взаимодействуют с обычной материей. [146]
Эпоха лептонов была периодом в эволюции ранней Вселенной, в котором лептоны доминировали в массе Вселенной. Она началась примерно через 1 секунду после Большого взрыва , после того как большинство адронов и антиадронов уничтожили друг друга в конце эпохи адронов . Во время эпохи лептонов температура Вселенной была все 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 точки, когда пары лептон-антилептон больше не создавались. [147] Затем большинство лептонов и антилептонов были устранены в реакциях аннигиляции , оставив небольшой остаток лептонов. Затем масса Вселенной стала определяться фотонами , поскольку она вступила в следующую эпоху фотонов . [148] [149]
Фотон — это квант света и всех других форм электромагнитного излучения . Он является носителем электромагнитной силы . Эффекты этой силы легко наблюдать на микроскопическом и макроскопическом уровне, поскольку фотон имеет нулевую массу покоя ; это допускает взаимодействие на больших расстояниях . [46] : 1470
Эпоха фотонов началась после того, как большинство лептонов и антилептонов были уничтожены в конце эпохи лептонов, примерно через 10 секунд после Большого взрыва. Атомные ядра были созданы в процессе нуклеосинтеза, который произошел в течение первых нескольких минут эпохи фотонов. В течение оставшейся части эпохи фотонов Вселенная содержала горячую плотную плазму ядер, электронов и фотонов. Примерно через 380 000 лет после Большого взрыва температура Вселенной упала до точки, когда ядра могли объединяться с электронами, создавая нейтральные атомы. В результате фотоны больше не взаимодействовали часто с материей, и Вселенная стала прозрачной. Сильно смещенные в красную область фотоны этого периода образуют космический микроволновый фон. Крошечные изменения температуры реликтового фона соответствуют изменениям плотности Вселенной, которые были ранними «семенами», из которых произошло все последующее формирование структур . [142] : 244–266
Частота жизни во Вселенной часто была предметом исследования в астрономии и астробиологии , будучи вопросом уравнения Дрейка и различных взглядов на него, от выявления парадокса Ферми , ситуации, когда не было найдено никаких признаков внеземной жизни , до аргументов в пользу биофизической космологии , взгляда на жизнь, как неотъемлемую часть физической космологии Вселенной. [150]
Общая теория относительности — геометрическая теория гравитации , опубликованная Альбертом Эйнштейном в 1915 году, и текущее описание гравитации в современной физике . Она является основой современных космологических моделей Вселенной. Общая теория относительности обобщает специальную теорию относительности и закон всемирного тяготения Ньютона , предоставляя единое описание гравитации как геометрического свойства пространства и времени , или пространства-времени. В частности, кривизна пространства-времени напрямую связана с энергией и импульсом любой присутствующей материи и излучения . [151]
Соотношение определяется уравнениями поля Эйнштейна , системой дифференциальных уравнений в частных производных . В общей теории относительности распределение материи и энергии определяет геометрию пространства-времени, которая, в свою очередь, описывает ускорение материи. Поэтому 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. [151]
При допущении космологического принципа , что Вселенная везде однородна и изотропна, конкретным решением уравнений поля, описывающим Вселенную, является метрический тензор, называемый метрикой Фридмана–Леметра–Робертсона–Уокера ,
где ( r , θ, φ) соответствуют сферической системе координат . Эта метрика имеет только два неопределенных параметра. Общий безразмерный масштабный фактор длины R описывает масштаб размера Вселенной как функцию времени (увеличение R является расширением Вселенной ), [152] а 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, что соответствует пространству положительной кривизны ; или −1, что соответствует пространству положительной или отрицательной кривизны. [153] Значение R как функции времени t зависит от k и космологической постоянной Λ . [151] Космологическая постоянная представляет собой плотность энергии вакуума пространства и может быть связана с темной энергией. [98] Уравнение, описывающее, как R изменяется со временем, известно как уравнение Фридмана в честь его изобретателя Александра Фридмана . [154]
Решения для R(t) зависят от k и Λ , но некоторые качественные особенности таких решений являются общими. Первое и самое важное, масштаб длины R вселенной может оставаться постоянным, только если вселенная идеально изотропна с положительной кривизной ( k = 1) и имеет одно точное значение плотности везде, как впервые заметил Альберт Эйнштейн . [151]
Во-вторых, все решения предполагают, что в прошлом была гравитационная сингулярность , когда R обращалось в ноль, а материя и энергия были бесконечно плотными. Может показаться, что этот вывод неопределен, поскольку он основан на сомнительных предположениях идеальной однородности и изотропии (космологический принцип) и что только гравитационное взаимодействие имеет значение. Однако теоремы Пенроуза–Хокинга о сингулярности показывают, что сингулярность должна существовать для очень общих условий. Следовательно, согласно уравнениям поля Эйнштейна, R быстро росло из невообразимо горячего, плотного состояния, которое существовало сразу после этой сингулярности (когда R имело малое, конечное значение); в этом суть модели Большого взрыва Вселенной. Понимание сингулярности Большого взрыва, вероятно, требует квантовой теории гравитации , которая еще не сформулирована. [155]
В-третьих, индекс кривизны k определяет знак кривизны пространственных поверхностей с постоянным временем [153], усредненный по достаточно большим масштабам длины (более миллиарда световых лет ). Если k = 1, кривизна положительна, и вселенная имеет конечный объем. [156] Вселенная с положительной кривизной часто визуализируется как трехмерная сфера, вложенная в четырехмерное пространство. И наоборот, если k равно нулю или отрицательно, вселенная имеет бесконечный объем. [156] Может показаться нелогичным, что бесконечная и в то же время бесконечно плотная вселенная может быть создана в одно мгновение, когда R = 0, но именно это 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.
Окончательная 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 равнялось бы +1, что означает, что ее средняя кривизна по всей длине положительна, и вселенная в конечном итоге повторно схлопнется в Большом сжатии , [157] возможно, начав новую вселенную в Большом отскоке . И наоборот, если бы вселенная была недостаточно плотной, k равнялось бы 0 или −1, и вселенная расширялась бы вечно, остывая и в конечном итоге достигая Большого замораживания и тепловой смерти вселенной . [151] Современные данные свидетельствуют о том, что расширение вселенной ускоряется ; если это ускорение достаточно быстрое, вселенная в конечном итоге может 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. [158]
Некоторые спекулятивные теории предполагают, что наша вселенная является лишь одной из множества разрозненных вселенных, совместно обозначаемых как мультивселенная , оспаривая или дополняя более ограниченные определения вселенной. [19] [159] Макс Тегмарк разработал четырехчастную схему классификации для различных типов мультивселенных, которые ученые предложили в ответ на различные проблемы в физике . Примером такой мультивселенной является та, которая является результатом хаотической инфляционной модели ранней вселенной. [160]
Другой — мультивселенная, возникающая в результате многомировой интерпретации квантовой механики. В этой интерпретации параллельные миры генерируются способом, подобным квантовой суперпозиции и декогеренции , при этом все состояния волновых функций реализуются в отдельных мирах. Фактически, в многомировой интерпретации мультивселенная развивается как универсальная волновая функция . Если Большой взрыв, создавший нашу мультивселенную, создал ансамбль мультивселенных, волновая функция ансамбля была бы запутанной в этом смысле. [161] Вопрос о том, можно ли извлечь из этой картины научно значимые вероятности, был и продолжает оставаться предметом многочисленных споров, и существуют множественные версии многомировой интерпретации. [162] [163] [164] Предмет интерпретации квантовой механики в целом отмечен разногласиями. [165] [166] [167]
Наименее спорной, но все еще весьма спорной категорией мультивселенной в схеме Тегмарка является Уровень I. Мультивселенные этого уровня состоят из далеких событий пространства-времени «в нашей собственной вселенной». Тегмарк и другие [168] утверждали, что если пространство бесконечно или достаточно велико и однородно, идентичные случаи истории всего объема Хаббла Земли происходят время от времени, просто случайно. Тегмарк подсчитал, что наш ближайший так называемый двойник находится на расстоянии 10 10 115 метров от нас ( двойная экспоненциальная функция больше гуголплекса ). [169] [170] Однако используемые аргументы носят спекулятивный характер. [171]
Можно представить себе несвязанные пространства-времена, каждое из которых существует, но не может взаимодействовать друг с другом. [169] [172] 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. [173] Согласно одной общей терминологии, каждый «мыльный пузырь» пространства-времени обозначается как вселенная , тогда как конкретное пространство-время людей обозначается как вселенная , [19] так же, как люди называют луну Земли Луной . Вся совокупность этих отдельных пространств-времен обозначается как мультивселенная. [19]
Согласно этой терминологии, различные вселенные не связаны друг с другом причинно. [19] В принципе, другие несвязанные вселенные могут иметь разные размерности и топологии пространства-времени, разные формы материи и энергии , разные физические законы и физические константы , хотя такие возможности являются чисто спекулятивными. [19] Другие считают, что каждый из нескольких пузырей, созданных как часть хаотической инфляции , является отдельной вселенной , хотя в этой модели все эти вселенные имеют общее причинное происхождение. [19]
Исторически существовало много идей о космосе (космологиях) и его происхождении (космогониях). Теории безличной вселенной, управляемой физическими законами, были впервые предложены греками и индийцами. [13] Древняя китайская философия охватывала понятие вселенной, включая как все пространство, так и все время. [174] На протяжении столетий усовершенствования астрономических наблюдений и теорий движения и гравитации привели к еще более точным описаниям вселенной. Современная эра космологии началась с общей теории относительности Альберта Эйнштейна 1915 года , которая позволила количественно предсказать происхождение, эволюцию и завершение вселенной в целом. Большинство современных принятых теорий космологии основаны на общей теории относительности и, более конкретно, на предсказанном Большом взрыве . [175]
Во многих культурах есть истории, описывающие происхождение мира и вселенной . Культуры обычно считают, что эти истории имеют некоторую правду . Однако существует много различных верований в том, как эти истории применяются среди тех, кто верит в сверхъестественное происхождение, начиная от бога, непосредственно создавшего вселенную такой, какой она является сейчас, до бога, просто приводящего «колеса в движение» (например, с помощью таких механизмов, как большой взрыв и эволюция). [176]
Этнологи и антропологи, изучающие мифы, разработали различные схемы классификации для различных тем, которые появляются в историях о творении. [177] [178] Например, в одном типе историй мир рождается из мирового яйца ; такие истории включают финскую эпическую поэму Калевала , китайскую историю Пангу или индийскую Брахманда-пурану . В связанных историях вселенная создается единой сущностью, излучающей или производящей что-то самой собой, как в концепции тибетского буддизма Ади-Будды , древнегреческой истории о Гайе (Матери-Земле), мифе ацтекской богини Коатликуэ , истории древнеегипетского бога Атума и иудео-христианском повествовании о сотворении мира в Книге Бытия , в котором Авраамический Бог создал вселенную. В другом типе историй вселенная создается из союза мужского и женского божеств, как в истории маори о Ранги и Папе . В других историях вселенная создается путем создания ее из уже существующих материалов, таких как труп мертвого бога — как Тиамат в вавилонском эпосе Энума Элиш или великан Имир в скандинавской мифологии — или из хаотических материалов, как Идзанаги и Идзанами в японской мифологии . В других историях вселенная исходит из фундаментальных принципов, таких как Брахман и Пракрити , и мифа о сотворении Сереров . [179]
Досократовские греческие философы и индийские философы разработали некоторые из самых ранних философских концепций вселенной. [13] [180] Самые ранние греческие философы отметили, что внешность может быть обманчивой, и стремились понять лежащую в основе внешность реальность. В частности, они отметили способность материи менять формы (например, лед в воду, пар), и несколько философов предположили, что все физические материалы в мире являются различными формами единого изначального материала, или архе . Первым, кто сделал это, был Фалес , который предположил, что этим материалом является вода . Ученик Фалеса, Анаксимандр , предположил, что все произошло из безграничного апейрона . Анаксимен предположил, что изначальной материей является воздух из-за его воспринимаемых притягательных и отталкивающих качеств, которые заставляют архе конденсироваться или распадаться на различные формы. Анаксагор предложил принцип Нуса (Разума), в то время как Гераклит предложил огонь (и говорил о логосе ). Эмпедокл предположил, что элементами являются земля, вода, воздух и огонь. Его модель из четырех элементов стала очень популярной. Как и Пифагор , Платон считал, что все вещи состоят из чисел , а элементы Эмпедокла принимают форму платоновских тел . Демокрит и более поздние философы, в первую очередь Левкипп , предположили, что вселенная состоит из неделимых атомов, движущихся через пустоту ( вакуум ), хотя Аристотель не считал это возможным, поскольку воздух, как и вода, оказывает сопротивление движению . Воздух немедленно устремится, чтобы заполнить пустоту, и, более того, без сопротивления он будет делать это бесконечно быстро. [13]
Хотя Гераклит утверждал о вечном изменении, [181] его современник Парменид подчеркивал неизменность. Поэма Парменида « О природе» была прочитана как утверждение, что все изменения являются иллюзией, что истинная лежащая в основе реальность вечно неизменна и имеет единую природу, или, по крайней мере, что существенная черта каждой существующей вещи должна существовать вечно, без начала, изменения или конца. [182] Его ученик Зенон Элейский бросил вызов повседневным представлениям о движении с помощью нескольких известных парадоксов . Аристотель ответил на эти парадоксы, разработав понятие потенциальной счетной бесконечности, а также бесконечно делимого континуума. [183] [184]
Индийский философ Канада , основатель школы Вайшешика , разработал идею атомизма и предположил, что свет и тепло являются разновидностями одной и той же субстанции. [185] В V веке нашей эры буддийский философ -атомист Дигнага предложил считать атомы точечными, не имеющими продолжительности и состоящими из энергии. Они отрицали существование субстанциальной материи и предположили, что движение состоит из мгновенных вспышек потока энергии. [186]
Понятие темпорального финитизма было вдохновлено доктриной творения, разделяемой тремя авраамическими религиями : иудаизмом , христианством и исламом . Христианский философ Иоанн Филопонус представил философские аргументы против древнегреческого понятия бесконечного прошлого и будущего. Аргументы Филопона против бесконечного прошлого использовались ранним мусульманским философом Аль-Кинди (Алкиндусом); еврейским философом Саадией Гаоном (Саадия бен Иосифом); и мусульманским теологом Аль-Газали (Алгазель). [187]
Пантеизм — это философское религиозное убеждение, что сама вселенная тождественна божественности и высшему существу или сущности. [188] Физическая вселенная, таким образом, понимается как всеобъемлющее, имманентное божество. [189] Термин «пантеист» обозначает того, кто считает, что все составляет единство, и что это единство является божественным, состоящим из всеобъемлющего, проявленного бога или богини . [190] [191]
Самые ранние письменные упоминания о предшественниках современной астрономии относятся к Древнему Египту и Месопотамии и датируются примерно 3000–1200 гг. до н. э . [192] [193] Вавилонские астрономы VII века до н. э. рассматривали мир как плоский диск , окруженный океаном. [194] [195]
Более поздние греческие философы, наблюдая за движениями небесных тел, были озабочены разработкой моделей вселенной, основанных на более глубоких 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 осложнения движения планет, в частности ретроградное движение , модель Евдокса включала 27 различных небесных сфер : четыре для каждой из планет, видимых невооруженным глазом, по три для Солнца и Луны и одну для звезд. Все эти сферы были сосредоточены на Земле, которая оставалась неподвижной, пока они вращались вечно. Аристотель развил эту модель, увеличив количество сфер до 55, чтобы учесть дополнительные детали движения планет. Для Аристотеля обычная материя полностью содержалась в земной сфере, и она подчинялась принципиально иным правилам, чем небесная материя . [196] [197]
В трактате «De Mundo» после Аристотеля (неизвестного автора и даты) говорилось: «Пять элементов, расположенных в сферах в пяти областях, причем меньший из них в каждом случае окружен большим, а именно, земля окружена водой, вода — воздухом, воздух — огнем, а огонь — эфиром, составляют всю вселенную». [198] Эта модель также была усовершенствована Каллиппом , и после того, как концентрические сферы были отвергнуты, она была приведена в почти идеальное соответствие с астрономическими наблюдениями Птолемеем . [ 199] Успех такой модели во многом обусловлен математическим фактом, что любая функция (например, положение планеты) может быть разложена на набор круговых функций ( моды Фурье ). Другие греческие ученые, такие как пифагорейский философ Филолай , постулировали (согласно отчету Стобея ), что в центре вселенной находится «центральный огонь», вокруг которого Земля , Солнце , Луна и планеты вращаются в равномерном круговом движении. [200]
Греческий астроном Аристарх Самосский был первым известным человеком, предложившим гелиоцентрическую модель Вселенной. Хотя оригинальный текст был утерян, ссылка в книге Архимеда «The Sand Reckoner» описывает гелиоцентрическую модель Аристарха. Архимед писал:
Ты, царь Гелон, знаешь, 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. Это общее мнение, которое ты слышал от астрономов. Но Аристарх выпустил книгу, состоящую из определенных 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, Солнце лежит в середине орбиты, и что сфера неподвижных звезд, расположенная примерно в том же центре, что и Солнце, настолько велика, что круг, по которому, как он предполагает, вращается Земля, имеет такую же пропорцию к расстоянию неподвижных звезд, как центр сферы имеет отношение к ее поверхности. [201]
Таким образом, Аристарх считал, что звезды находятся очень далеко, и видел в этом причину, по которой не наблюдался звездный параллакс , то есть не наблюдалось, чтобы звезды двигались относительно друг друга, когда Земля вращалась вокруг Солнца. Звезды на самом деле находятся намного дальше, чем расстояние, которое обычно предполагалось в древние времена, поэтому звездный параллакс можно обнаружить только с помощью точных приборов. Геоцентрическая модель, согласующаяся с планетарным параллаксом, считалась объяснением ненаблюдаемости звездного параллакса. [202]
Единственным другим астрономом древности, известным по имени, который поддерживал гелиоцентрическую модель Аристарха, был Селевк из Селевкии , эллинистический астроном , живший столетием позже Аристарха. [203] [204] [205] 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 явлением приливов . [206] 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. [207] В качестве альтернативы он мог доказать гелиоцентричность, определив константы геометрической модели для нее и разработав методы вычисления планетарных положений с использованием этой модели, подобно Николаю Копернику в 16 веке. [208] В средние века гелиоцентрические модели также предлагали персидские астрономы Альбумасар [209] и Аль-Сиджи . [210]
Аристотелевская модель была принята в западном мире примерно два тысячелетия, пока Коперник не возродил точку зрения Аристарха о том, что астрономические данные можно объяснить более правдоподобно, если Земля вращается вокруг своей оси, а Солнце поместить в центр Вселенной. [211]
В центре покоится Солнце. Ибо кто поместит этот светильник прекраснейшего 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 г.)
Как отметил Коперник, представление о вращении Земли очень старо, оно 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 невежестве » (1440 г.) [212] Аль-Сиджи [213] также предположил, что Земля вращается вокруг своей оси. Эмпирические доказательства вращения Земли вокруг своей оси, используя явление комет , были даны Туси (1201–1274) и Али Кушджи (1403–1474). [214]
Эту космологию приняли Исаак Ньютон , Христиан Гюйгенс и более поздние ученые. [215] Ньютон продемонстрировал, что одни и те же законы движения и гравитации применимы к земной и небесной материи, сделав разделение Аристотеля между ними устаревшим. Эдмунд Галлей (1720) [216] и Жан-Филипп де Шезо (1744) [217] независимо друг от друга отметили, 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. [218] Ньютон считал, что бесконечное пространство, равномерно заполненное материей, вызовет бесконечные силы и нестабильности, заставляющие материю сдавливаться внутрь под действием собственной гравитации. [215] Эта нестабильность была разъяснена в 1902 году критерием нестабильности Джинса . [219] Одним из решений этих парадоксов является Вселенная Шарлье , в которой материя организована иерархически (системы вращающихся тел, которые сами вращаются в более крупной системе, и так 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 . [53] [220]
В XVIII веке Иммануил Кант предположил, что туманности могут быть целыми галактиками, отдельными от Млечного Пути, [216] а в 1850 году Александр фон Гумбольдт назвал эти отдельные галактики Weltinseln , или «островами мира», термин, который позже развился в «островные вселенные». [221] [222] В 1919 году, когда был завершен телескоп Хукера , преобладающей точкой зрения было то, что Вселенная полностью состоит из Галактики Млечный Путь. Используя телескоп Хукера, Эдвин Хаббл идентифицировал переменные цефеиды в нескольких спиральных туманностях и в 1922–1923 годах окончательно доказал, что Туманность Андромеды и Треугольник среди других были целыми галактиками за пределами нашей собственной, тем самым доказав, что Вселенная состоит из множества галактик. [223] С помощью этого Хаббл сформулировал постоянную Хаббла , которая впервые позволила рассчитать возраст Вселенной и размер Наблюдаемой Вселенной, которая становилась все более точной с лучшими измерениями, начиная с 2 миллиардов лет и 280 миллионов световых лет, до 2006 года, когда данные космического телескопа Хаббл позволили очень точно рассчитать возраст Вселенной и размер Наблюдаемой Вселенной. [224]
Современная эра физической космологии началась в 1917 году, когда Альберт Эйнштейн впервые применил свою общую теорию относительности для моделирования структуры и динамики Вселенной. [225] Открытия этой эпохи и вопросы, оставшиеся без ответа, изложены в разделах выше.
Сноски
Цитаты
Совокупность всего пространства и времени; все, что есть, было и будет.
πᾶς
ὅλος
κόσμος
{{cite news}}
: |last2=
имеет общее название ( помощь )Галактические обзоры обнаружили ~10% этих барионов в коллапсировавших объектах, таких как галактики, группы и скопления [...] Из оставшихся 80%–90% космологических барионов примерно половину можно отнести к низко-z [межгалактической среде]
В] Почему физики-частицы так заботятся о частице Хиггса?
[A] Ну, на самом деле, нет. На самом деле их заботит поле Хиггса
,
потому что оно
так
важно. [выделено в оригинале]
Новые интерпретации появляются каждый год. Ни одна не исчезает.
В общем употреблении слово «миф» относится к рассказам или верованиям, которые не соответствуют действительности или просто выдуманы; истории, составляющие национальные или этнические мифологии, описывают персонажей и события, которые, как говорит нам здравый смысл и опыт, невозможны. Тем не менее, все культуры прославляют такие мифы и приписывают им различную степень буквальной или символической правды .
«Две системы индуистской мысли выдвигают физические теории, предположительно схожие с теориями Греции . Канада, основатель философии вайшешика, считал, что мир состоит из атомов, число которых равно числу различных элементов. Джайны были ближе к Демокриту , уча, что все атомы одного и того же вида, производящие различные эффекты посредством различных способов сочетания. Канада считал, что свет и тепло являются разновидностями одной и той же субстанции; Удаяна учил, что все тепло исходит от Солнца; а Вачаспати , как и Ньютон , интерпретировал свет как состоящий из мельчайших частиц, испускаемых субстанциями и попадающих в глаз».
«Буддисты отрицали существование субстанциальной материи вообще. Движение для них состоит из мгновений, это отрывистое движение, мгновенные вспышки потока энергии... «Все мимолетно»,... говорит буддист, потому что нет ничего... Обе системы [ санкхья и позднее индийский буддизм] разделяют общую тенденцию доводить анализ существования до его мельчайших, последних элементов, которые воображаются как абсолютные качества или вещи, обладающие только одним уникальным качеством. Они называются «качествами» ( гуна-дхарма ) в обеих системах в смысле абсолютных качеств, своего рода атомарных или внутриатомных энергий, из которых состоят эмпирические вещи. Обе системы, таким образом, сходятся в отрицании объективной реальности категорий Субстанции и Качества,... и отношения Вывода, объединяющего их. В философии санкхьи нет отдельного существования качеств. То, что мы называем качеством, есть лишь особое проявление тонкой сущности. Каждой новой единице качества соответствует тонкий квант материи, который называется гуной , "качество", но представляет собой тонкую субстанциальную сущность. То же самое относится к раннему буддизму, где все качества являются субстанциальными... или, точнее, динамическими сущностями, хотя их также называют дхармами ("качествами")".
10.1086/370729. JSTOR 595168. S2CID 162347339.
Халдейский
Селевк из Селевкии
гелиоцентрическая астрономия, изобретенная Аристархом Самосским и все еще защищаемая столетие спустя Селевком
Вавилонским
{{cite book}}
: CS1 maint: unrecognized language (link)