И, если он есть, насколько мы к нему близки?
Независимо от того, в каком направлении мы смотрим или насколько далеко наши телескопы и инструменты способны видеть, Вселенная выглядит везде почти одинаковой. Количество галактик, их типы, популяции звезд, которые существуют в них, плотности нормальной и темной материи и даже температура излучения, которое мы видим, все одинаково: независимо от направления, в котором мы смотрим. В самом большом космическом масштабе средняя разница между любыми двумя регионами составляет всего 0,003%, или примерно 1 часть к 30 000.
На самом деле, самые большие различия, которые мы видим, не зависят от того, в каком направлении мы смотрим, а скорее от того, как далеко мы смотрим. Чем дальше мы смотрим, тем дальше во времени мы видим Вселенную и тем больше свет от этих далеких объектов смещается в сторону более длинных волн. У многих людей, услышавших это, возникает определенная картина в голове: чем больше смещается свет, тем быстрее эти объекты удаляются от нас. Следовательно, если вы посмотрите во всех направлениях и реконструируете точку, «в которой мы увидим, что все направления удаляются одинаково?» вы можете найти центр Вселенной.
Только это не совсем так. Вот что на самом деле происходит с нашими лучшими научными знаниями о центре Вселенной.
У объекта, движущегося со скоростью, близкой к скорости света, излучающего свет, излучаемый им свет будет казаться смещенным в зависимости от местоположения наблюдателя. Кто-то слева увидит, как источник удаляется от него, и, следовательно, свет будет смещен в красную сторону; кто-то справа от источника увидит, что он смещен в синюю сторону или смещен в сторону более высоких частот по мере того, как источник движется к нему (WIKIMEDIA COMMONS USER TXALIEN).
Большинство из нас интуитивно понимают, что, когда объекты движутся к вам, излучаемые ими волны кажутся сжатыми, а их гребни и впадины ближе друг к другу. Точно так же, когда они удаляются от вас, волны кажутся разреженными, с гребнями и впадинами дальше друг от друга, чем если бы они были неподвижными. Хотя мы обычно испытываем это со звуками, поскольку вы можете определить, движется ли пожарная машина, полицейская машина к вам или от вас, но это верно для любой волны, включая свет. Мы называем этот сдвиг частоты волн, основанный на движении, эффектом Доплера, названным в честь его первооткрывателя.
Только когда дело доходит до света, изменение длины волны соответствует не более высоким или низким тонам, а более высоким или низким энергиям. Для света более длинные волны означают более низкие частоты, более низкие энергии и более красные цвета, в то время как более короткие длины волн означают более высокие частоты, более высокие энергии и более голубые цвета.
В любом индивидуальном объекте, который мы изучаем, из-за природы материи во Вселенной будут присутствовать атомы и ионы, которые мы узнаем. Все атомы и ионы излучают и/или поглощают свет только определенной длины волны; если мы можем определить, какие атомы присутствуют, мы можем измерить систематический сдвиг этих спектральных линий и вычислить, насколько на самом деле смещен свет.
Впервые отмеченные Весто Слайфером в 1917 году, некоторые из наблюдаемых нами объектов показывают спектральные признаки поглощения или излучения определенных атомов, ионов или молекул, но с систематическим сдвигом в сторону красного или синего конца светового спектра. В сочетании с измерениями расстояний Хаббла эти данные породили первоначальную идею о расширяющейся Вселенной: чем дальше находится галактика, тем больше смещение ее света в красную сторону. (VESTO SLIPHER, (1917): PROC. AMER. PHIL. SOC., 56, 403).
Когда мы это делаем, мы обнаруживаем нечто весьма примечательное. Для самых близких объектов мы видим и красное, и синее смещение, соответствующие скоростям от нескольких сотен до нескольких тысяч километров в секунду. Галактики, подобные Млечному Пути, которые не связаны жестко с большими массивными группами или скоплениями, обычно имеют более низкие скорости, в то время как галактики, расположенные вблизи центра больших массивных скоплений, могут достигать скорости ~ 1% от скорости света.
Когда мы смотрим дальше, на объекты на больших расстояниях, мы все еще видим тот же диапазон - предполагаемые скорости среди галактик, которые мы видим, варьируются от сотен до тысяч км/с, но все смещается в более красные цвета в зависимости от их расстояния до нас.
Наблюдения очень ясны: чем дальше объект от нас в среднем, тем больше наблюдаемое красное смещение. Но происходит ли это потому, что объект действительно движется в пространстве относительно нас, когда он излучает свет, а не когда мы поглощаем свет? Или это потому, что в космических масштабах происходит общее расширение, из-за которого свет продолжает смещаться во время своего долгого путешествия через пространство, которое отделяет нас от того объекта, который мы пытаемся наблюдать?
Хотя первый сценарий легко понять - объекты существуют в космосе и перемещаются в нем, второй требует небольшого объяснения. В общей теории относительности Эйнштейна пространство - это не просто статический «фон», через который движутся частицы и другие объекты, а, скорее, это часть ткани вселенной, которая вместе со временем развивается в зависимости от материи и энергии, присутствующих в ней. Большая масса в одном конкретном месте заставит эту ткань изгибаться вокруг этого места, заставляя каждый квант в этом пространстве двигаться не по прямой линии, а по пути, определяемому кривизной пространства. Например, искривление звездного света вокруг Солнца во время полного солнечного затмения было первым окончательным тестом, который показал, что гравитация подчиняется предсказаниям Эйнштейна.
Еще одна вещь, которую диктует общая теория относительности, заключается в том, что если у вас есть Вселенная, которая равномерно заполнена материей и/или энергией, эта Вселенная не может поддерживать пространство-время, которое является статичным и неизменным. Все такие решения сразу же нестабильны, и ваша Вселенная должна либо расширяться, либо сжиматься. По мере развития этого пространства-времени, свет в нем также эволюционирует:
- длина волны сокращается по мере сжатия ткани пространства,
- или длина волны удлиняется по мере расширения ткани пространства.
Когда свет проходит через Вселенную, эффекты эволюции пространства отражаются на самих свойствах света, который в конечном итоге достигает наших глаз.
Эта упрощенная анимация показывает красное смещение и как со временем меняются расстояния между несвязанными объектами в расширяющейся Вселенной. (ROB KNOP)
В принципе, оба этих эффекта имеют место. Сама ткань пространства эволюционирует, заставляя частоту света, перемещающегося внутри нее, систематически сдвигаться, а галактики и другие светоизлучающие объекты во Вселенной также перемещаются через это развивающееся пространство, что приводит к сдвигам частоты, зависящим от движения.
Невозможно узнать из базовых принципов, как будет развиваться наша Вселенная. Математически у вас может быть несколько решений одного и того же уравнения, и уравнения общей теории относительности не являются исключением из этого правила. Вселенная, полная материи, может либо расширяться, либо сжиматься. Наложив поверх этого космологический сдвиг, мы ожидаем обнаружить то, что мы называем пекулярными скоростями, или то, как вещество внутри этой Вселенной движется из-за эффектов, подобных гравитационным силам, от всех других источников материи и энергии во Вселенной.
Какой бы сдвиг мы ни наблюдали для отдельного объекта, это будет комбинация обоих этих эффектов. Всякий раз, когда мы просто измеряем, как сдвигается свет от одного объекта, мы не можем знать, какой компонент сдвига является космологическим, а какой - не космологическим. Но, наблюдая огромное количество объектов на большом расстоянии, мы можем найти, исходя из общих средних тенденций, как Вселенная развивается в целом.
За первоначальными наблюдениями Хаббловского расширения Вселенной в 1929 году последовали более подробные, но также неопределенные наблюдения. График Хаббла ясно показывает зависимость красного смещения от расстояния; современные эквиваленты идут намного дальше. Все данные указывают на расширяющуюся Вселенную. (ROBERT P. KIRSHNER (R), EDWIN HUBBLE (L))
Как впервые было отмечено еще в конце 1920-х годов, не только неопровержимые доказательства указывают на то, что Вселенная расширяется, но и предсказанный способ расширения Вселенной впечатляюще согласуется с предсказаниями общей теории относительности для равномерно заполненной Вселенной с различными типами материи и энергии. Как только вы узнаете, из чего состоит ваша Вселенная и как она расширяется сегодня, уравнения общей теории относительности полностью определены: мы можем выяснить, на что была похожа Вселенная с точки зрения размера, масштабного расстояния и мгновенной скорости ее расширения в каждой точке в прошлом, и какими они будут в любой момент в нашем будущем.
Однако, если это то, что происходит, тогда расширяющаяся Вселенная совсем не похожа на взрыв, когда из исходной точки все, как шрапнель, летит наружу с разной скоростью. Напротив, расширяющаяся Вселенная больше похожа на закваску теста с изюмом повсюду. Если вы гравитационно связанный объект, например галактика, вы одна из изюминок, а космос - тесто. По мере того, как тесто разбухает, отдельные изюминки кажутся отдаляющимися друг от друга, но сами изюминки не движутся «сквозь» тесто. Каждая изюминка считает себя относительно неподвижной, но удаляется от остальных, а более удаленные изюминки, кажется, удаляются быстрее.
Модель «хлеба с изюмом», в которой относительные расстояния увеличиваются по мере расширения пространства (теста). Чем дальше друг от друга находятся две изюминки, тем больше будет наблюдаемое красное смещение к моменту получения света. Отношение красного смещения к расстоянию, предсказываемое расширяющейся Вселенной, подтверждается наблюдениями и согласуется с тем, что было известно еще с 1920-х годов (NASA / WMAP SCIENCE TEAM).
Итак, как мы узнаем, насколько велик этот «шарик из теста», где мы находимся внутри него и где находится его центр?
На этот вопрос можно было бы ответить только в том случае, если бы мы могли видеть за гранью «теста», чего мы не можем. Фактически, до крайних пределов той части Вселенной, которую мы можем наблюдать, Вселенная все еще остается совершенно однородной с точностью до одной и той же доли в 30 000, повсюду. Наш Большой взрыв, произошедший 13,8 миллиарда лет назад, означает, что мы можем видеть максимум около 46 миллиардов световых лет во всех направлениях, и даже на этом далеком пределе она все еще остается удивительно однородной. Это не накладывает ограничений на:
- насколько большим может быть «шарик из теста», который представляет нашу Вселенную;
- насколько велика ненаблюдаемая Вселенная за пределами нашей видимости;
- какова топология и связность ненаблюдаемой Вселенной;
- и каковы допустимые «формы» для границ нашей Вселенной, включая то, есть ли у нее центр (или нет), конечна ли она (или нет), и каково наше местоположение по отношению к любой более крупной структуре, которую может иметь Вселенная.
Все, что мы можем заключить, это то, что Вселенная кажется совершенно совместимой с общей теорией относительности, и что, как и любая отдельная изюминка в тесте, которая не может видеть дальше самого края теста, любой наблюдатель может предъявить одинаковые претензии к очевидному (но неверному) выводу, который вы бы сделали, если бы увидели, что все удаляется от вас: «я в центре».
С нашей точки зрения, наблюдаемая Вселенная может иметь размер 46 миллиардов световых лет во всех направлениях, но, безусловно, существует и другая ненаблюдаемая Вселенная, такая же, как наша. Несправедливо связывать какую-либо конкретную точку с центром, поскольку то, что мы воспринимаем, определяется количеством времени, прошедшим с момента излучения наблюдаемого сегодня света, а не геометрией Вселенной. (WIKIMEDIA COMMONS USERS FRÉDÉRIC MICHEL AND AZCOLVIN429, ANNOTATED BY E. SIEGEL)
Только говорить «мы в центре» - это совсем не правильно. Единственная особенность нашего местоположения в космосе - это то, что объекты, которые мы видим поблизости, являются самыми старыми, наиболее развитыми объектами, которые мы можем видеть сегодня, а более удаленные объекты моложе. Скорость расширения поблизости в настоящее время ниже, чем скорость расширения, которую мы видим на больших расстояниях. И свет от ближайших объектов имеет меньшее красное смещение, и в их смещениях меньше доминирует космологическая составляющая красного смещения, чем от более далеких объектов.
Это потому, что объекты, которые существуют по всей Вселенной, не могут посылать сигналы, которые движутся быстрее света, и что свет, который мы наблюдаем от них сегодня, соответствует свету, который прибывает прямо сейчас, но был излучен некоторое время назад. Когда мы смотрим в космос, мы также смотрим назад во времени, видя объекты:
- какими они были в прошлом;
- когда они были моложе и ближе (по времени) к Большому взрыву;
- когда Вселенная была горячее, плотнее и расширялась быстрее;
- и для того, чтобы этот свет достиг наших глаз, его нужно было растянуть до более длинных волн на протяжении всего пути.
Однако есть одна вещь, на которую мы должны обратить внимание, если мы хотим знать, где, с нашей точки зрения, все направления действительно выглядели практически идеально однородными: космический микроволновый фон, который сам по себе является излучением, оставшимся от Большого взрыва.
Оставшееся свечение от Большого взрыва на 3,36 милликельвина горячее в одном (красном) направлении, чем в среднем, и на 3,36 милликельвина холоднее (в синем), чем в среднем. Обычно это объясняется нашим полным движением в пространстве относительно системы покоя космического микроволнового фона, что составляет около 0,1% скорости света в определенном направлении. (DELABROUILLE, J. ET AL.ASTRON.ASTROPHYS. 553 (2013) A96)
Во всех точках космоса мы видим однородное поле излучения с температурой ровно 2,7255 К. В зависимости от того, в каком направлении мы смотрим, эта температура варьируется от нескольких десятков до, возможно, нескольких сотен микрокельвинов: что соответствует той доле 1/30 000. Но мы также видим, что одно направление выглядит немного горячее, чем противоположное: то, что мы наблюдаем как диполь в космическом микроволновом фоновом излучении.
Что могло создать этот диполь, который на самом деле довольно большой: около ±3,4 милликельвина, или около 1 части на 800?
Самое простое объяснение, возвращаясь к началу нашего обсуждения, это наше действительное движение во Вселенной. Во Вселенной на самом деле существует система покоя, если вы хотите учесть, что «в этом месте я должен двигаться с этой конкретной скоростью, так что фон излучения, который я вижу, действительно однороден». Мы близки к скорости, подходящей для нашего местоположения, но немного сбились с пути: эта дипольная анизотропия соответствует скорости, примерно 368 ± 2 км/с. Если бы мы либо «ускорили» себя, либо сохранили текущее движение, но переместили бы нашу позицию на расстояние примерно 17 миллионов световых лет, мы бы действительно оказались в точке, неотличимой от наивного определения "Центр Вселенной": в состоянии покоя относительно общего наблюдаемого космологического расширения.
В логарифмическом масштабе Вселенная рядом с нами это Солнечная система и наша галактика Млечный Путь. Но далеко за их пределами находятся все другие галактики во Вселенной, крупномасштабная космическая паутина и, в конечном итоге, моменты, непосредственно последовавшие за самим Большим взрывом. Хотя мы не можем наблюдать дальше космического горизонта, который в настоящее время находится на расстоянии 46,1 миллиарда световых лет от нас, в будущем нам откроется еще больше Вселенной. Наблюдаемая Вселенная сегодня содержит 2 триллиона галактик, но со временем все больше Вселенной станет для нас наблюдаемой, что, возможно, откроет некоторые космические истины, которые нам не ясны сегодня. (WIKIPEDIA USER PABLO CARLOS BUDASSI)
Проблема в том, что независимо от того, где вы находитесь во Вселенной, вы окажетесь существующим в данный конкретный момент времени: через определенное конечное количество времени после Большого взрыва. Все, что вы видите, выглядит таким, каким оно было, когда из него был испущен свет, при этом частота приходящего света смещается как за счет относительных движений того, что вы наблюдаете, по отношению к вам, так и за счет расширения Вселенной.
В зависимости от того, где вы находитесь, вы могли бы увидеть диполь на своем космическом микроволновом фоне, соответствующий движению на скорости сотни или даже тысячи км/с в определенном направлении, но как только вы объясните этот кусок головоломки, у вас будет Вселенная, которая выглядела точно так же с нашей точки зрения: однородная, в самых больших масштабах, во всех направлениях.
Центр Вселенной находится здесь в том смысле, что количество времени, прошедшее с момента Большого взрыва, и расстояния, на которые мы можем наблюдать, конечны. Та часть Вселенной, к которой мы можем получить доступ, вероятно, является лишь небольшой частью того, что на самом деле существует. Вселенная может быть большой, может повторяться сама по себе или может быть бесконечной, мы не знаем. В чем мы уверены, так это в том, что Вселенная расширяется, излучение, проходящее через нее, растягивается до более длинных волн, становится менее плотным и что более далекие объекты выглядят такими, какими они были в прошлом. Вопрос о том, где находится центр Вселенной, сложный вопрос, но фактический ответ - что центра нет, это, пожалуй, самый глубокий вывод из всех.
Комментариев нет:
Отправить комментарий