Есть ли центр у нашей вселенной. Есть ли центр у вселенной. Что означает слово «Вселенная»

Наша Вселенная началась с Большого Взрыва, но это не означает, что мы правильно ее себе нарисовали. Большинство из нас представляют это как настоящий взрыв: когда все начинается с горячего и плотного, а потом остывает и охлаждается, пока отдельные фрагменты разлетаются все дальше и дальше. Но это же вообще не соответствует действительности. Поэтому и рождается вопрос: а есть ли у Вселенной центр? Действительно ли космическое фоновое излучение одинаково удалено от нас, куда ни посмотри? Ведь если Вселенная расширяется, должно же это расширение было с чего-то начинаться?

Давайте на мгновение задумаемся о физике взрыва и какой была бы наша Вселенная, если бы с него началась.

Первые этапы взрыва во время ядерного испытания «Тринити», спустя 16 миллисекунд после взрыва. Вершина огненного шара на высоте 200 метров. 16 июля 1945 года

Взрыв начинается в точке и быстро расширяется наружу. Самый быстро движущийся материал выходит наружу быстрее всего, а значит и распространяется быстрее всего. Чем дальше вы от центра взрыва, тем меньше материала вас догонит. Плотность энергии снижается по мере течения времени, но дальше от взрыва она падает быстрее, потому что на окрестностях энергетический материал более разреженный. Независимо от того, где вы находитесь, вы всегда будете в состоянии - если вас не уничтожит - реконструировать центр взрыва.

Крупномасштабная структура Вселенной меняется с течением времени, поскольку крошечные дефекты растут и образуют первые звезды и галактики, а затем сливаются с образованием больших, современных галактик, которые мы видим сегодня. Чем дальше вы смотрите, тем моложе Вселенная.

Но это не та Вселенная, которую мы видим. Вселенная выглядит одинаково на больших и малых расстояниях: те же плотности, те же энергии, те же галактики и т. п. Далекие объекты, которые удаляются от нас на больших скоростях, не совпадают возрастом с объектами, которые расположены ближе к нам и движутся с меньшими скоростями; они кажутся моложе. И на большом удалении объектов становится не меньше, а больше. И если мы посмотрим на то, как движется все во Вселенной, мы увидим, что несмотря на то, что мы видим на десятки миллиардов световых лет, мы реконструировали центр прямо там, где находимся.

Сверхскопление Ланиакея, на котором положение Млечного Пути отмечено красным, представляет всего лишь одну миллиардную долю объема наблюдаемой Вселенной. Если Вселенная началась со взрыва, Млечный Путь был бы точно в центре.

Означает ли это, что мы, из всех триллионов галактик во Вселенной, оказались в центре Большого Взрыва? И что изначальный «взрыв» был настроен именно таким образом - с нерегулярными, неоднородными плотностями энергии, «точками отсчета» и загадочным свечением в 2,7 К - чтобы мы оказались в его центре? Как щедро было бы со стороны Вселенной настроить себя таким образом, чтобы мы оказались в этой невероятно нереалистичной точке на старте.

Во время взрыва в космосе внешний материал будет удаляться быстрее всего, а значит, именно он будет быстрее всего демонстрировать другие свойства, удаляясь от центра, поскольку будет быстрее терять энергию и плотность.

Но общая теория относительности подсказывает нам, что это не взрыв, а расширение. Вселенная началась с горячего, плотного состояния и расширялась именно ее ткань. Существует заблуждение, что это должно было начинаться с одной точки, но нет. Целая область имела такие свойства - заполненная веществом, энергией и пр. - и затем в действие вступала просто вселенская гравитация.

Эти свойства были одинаковыми везде и всюду - плотность, температура, число галактик и т. п. Но если бы мы могли это увидеть, мы обнаружили бы свидетельства развивающейся Вселенной. Поскольку Большой Взрыв происходил сразу и везде определенное время назад в некой области пространства, а эта область - все, что мы можем видеть, если смотрим с нашей точки зрения - мы видим область пространства, которая не слишком отличается от нашей собственной позиции в прошлом. Это сложно понять, но вы постарайтесь.

Смотреть назад на большие космические расстояния - как смотреть назад во времени. Прошло 13,8 миллиарда лет с Большого Взрыва там, где мы сейчас есть, но Большой Взрыв также происходил и в других местах. Свет, путешествующий во времени от тех галактик, означает, что мы видим удаленные регионы, какими они были в прошлом.

Галактики, свет которых добирался до нас миллиард лет, видны для нас такими, какими они были миллиард лет назад; галактики, которые проявляются нам спустя десять миллиардов лет, выглядят такими, какими они были именно такое время назад. 13,8 миллиарда лет назад Вселенная была полна излучения, а не вещества, и когда впервые сформировались нейтральные атомы, это излучение никуда не делось, остыло и прошло через красное смещение из-за расширения Вселенной. То, что мы видим как космический микроволновый фон, не только послесвечение Большого Взрыва, но его видно из любой точки Вселенной.

У Вселенной не обязательно будет центр. То, что мы называем «областью» пространства, в которой произошел Большой Взрыв, может быть и бесконечностью. Если центр и есть, он может быть буквально где угодно, и мы об этом не знали бы, потому что наблюдаем недостаточно Вселенной, чтобы получить полную информацию. Нам нужно было бы увидеть край, фундаментальную анизотропию (когда разные направления выглядят по-разному) в температурах и числах галактик, а наша Вселенная на самых больших масштабах кажется одинаковой везде и во всех направлениях.

Не существует места, с которого Вселенная начала расширяться, есть время, когда Вселенная начала расширяться. Именно это и являл собой Большой Взрыв: состояние, в которое перешла вся наблюдаемая Вселенная в определенный момент. Именно поэтому вглядываться во всех направлениях означает смотреть назад во времени. Именно поэтому во всех направлениях Вселенная однородна. Именно поэтому нашу историю космической эволюции можно проследить настолько, насколько наши обсерватории могут видеть.

Возможно, Вселенная имеет конечную форму и размер, но если это и так, то эта информация нам недоступна. Часть наблюдаемой нами Вселенной конечна, и эта информация в ней не заключена. Если вы представляете себе Вселенную как воздушный шар, буханку хлеба или что-нибудь еще по аналогии, не забывайте, что мы можем получить доступ лишь к крошечной части настоящей Вселенной. Все, что мы видим, это ее небольшая часть. И будь она конечной или бесконечной, она не перестает расширяться и разуплотняться.

Вселенная не расширяется в чем-то; она просто становится менее плотной.

Перевод

Вселенная выглядит примерно одинаково по всем направлениям, но удалённые галактики выглядят болеем молодыми и менее эволюционировавшими, чем те, что находятся ближе

Мы знаем, что наша Вселенная началась с Большого Взрыва, но это не значит, что мы все правильно его себе представляем. Большая часть людей представляет себе его, как взрыв: когда всё началось с горячего и плотного состояния, а потом расширялось в стороны и остывало, в то время, как различные фрагменты-осколки удалялись друг от друга. Но, какой бы ни была эта картина притягательной, она неверная. Наш читатель задаёт связанный с этим вопрос?

Интересно, как получается, что у вселенной нет центра и реликтовое излучение отдалено в любую сторону на равное от нас расстояние. Мне кажется, что если вселенная расширяется, то всегда можно найти место, откуда она начала расширяться.

Давайте для начала подумаем о физике взрыва, и о том, какой бы была наша Вселенная, если бы она началась со взрыва.

Первые стадии взрыва во время ядерного испытания Тринити , 16 миллисекунд после детонации. Верхняя часть взрыва достигла 200 м.

Взрыв начинается в определённой точке и быстро расширяется во все стороны. Самые быстро движущиеся обломки двигаются наружу быстрее остальных. Чем дальше вы находитесь от центра взрыва, тем меньше материала долетит до вас. Плотность энергии со временем повсеместно уменьшается, но дальше от центра взрыва она уменьшается быстрее, поскольку на окраинах взрыва материал более рассеянный. Неважно, где вы находитесь – если взрыв вас не уничтожил, вы всегда сможете реконструировать центр взрыва.

Крупномасштабная структура Вселенной меняется со временем, небольшие несовершенства вырастают и формируют первые звёзды и галактики, затем сливаются вместе, формируя крупные, современные галактики, видимые нам сегодня. Заглядывая на дальние дистанции, мы видим более молодую Вселенную, такую, каким был наш местный регион в прошлом.

Но мы наблюдаем не такую Вселенную. Она одинаково выглядит на дальних и ближних расстояниях: та же плотность, та же энергия, то же количество галактик. Удалённые объекты, двигающиеся от нас с большей скоростью, не выглядят схожими по возрасту с теми, что расположены ближе к нам и двигаются медленнее; они выглядят моложе. На дальних расстояниях объектов не становится меньше, их становится больше. А если взглянуть на схему движения во Вселенной, мы увидим, что несмотря на то, что мы можем заглянуть на десятки миллиардов световых лет, центр неизменно оказывается рядом с нами.

Сверхскопление Ланиакея , расположение Млечного Пути в котором показано красным, представляет собой всего лишь одну миллиардную объёма наблюдаемой Вселенной. Если Вселенная началась в результате взрыва, то Млечный Путь должен был быть рядом с центром

Значит ли это что мы, из триллионов галактик Вселенной, случайно оказались в центре Большого Взрыва? И что изначальный взрыв был подстроен именно таким образом, и были учтены нерегулярные, негомогенные плотности, энергии, и загадочное свечение температурой 2,7 К? Какой мелочной была бы Вселенная, если бы она была подстроена таким нереалистичным образом с самого начала.

Взрыв в космосе заставил бы внешние слои материала двигаться вовне быстрее остальных, что означает, что они становились бы менее плотными, теряли бы энергию быстрее других и демонстрировали разные свойства по мере удаления от центра. Также взрыву нужно было бы расширяться куда-то, а не растягивать само пространство. Наша Вселенная такому описанию не соответствует.

Вместо этого, Общая теория относительности предсказывает не взрыв, а расширение. Вселенная, начавшаяся с горячего, плотного состояния, у которой расширяется сама её ткань. Существует заблуждение, что это процесс начинался с одной точки – это не так! Существовал регион космоса с такими свойствами, наполненный материей, энергией и т.п., а затем Вселенная начала свою эволюцию под влиянием законов гравитации.

У неё повсюду схожие свойства, включая плотность, температуру, количество галактик, и т.п. Если мы выглянем наружу, то найдём свидетельства эволюционирующей Вселенной. Поскольку Большой взрыв случился повсюду одновременно конечное время назад на целом участке космоса, и мы можем наблюдать только этот участок, то когда мы смотрим с нашей точки наблюдения, мы видим участок пространства, не очень сильно отличающийся с нашего местоположения в прошлом.

Заглядывать на космические дистанции – значит, заглядывать в прошлое. Мы живём спустя 13,8 млрд лет после Большого взрыва, но Большой взрыв случился и во всех других доступных для наблюдения местах. Время распространения света до других галактик означает, что мы видим эти удалённые регионы такими, какие они были в прошлом.

Галактики, свету которых потребовался миллиард лет на то, чтобы дойти до нас, выглядят такими, какими они были миллиард лед назад! 13,8 млрд лет назад во Вселенной преобладало излучение, а не материя, и когда во Вселенной впервые сформировались нейтральные атомы, это излучение осталось, а потом охладилось и испытало красное смещение из-за расширения Вселенной. То, что мы наблюдаем в качестве реликтового излучения – это не только остаточное свечение от Большого взрыва, но это излучение можно увидеть с любого места Вселенной.

Только несколько сотен микрокельвинов – несколько частей в 100000 – отделяют самые горячие участки от самых холодных на схеме реликтового излучения.

У Вселенной не обязательно есть центр; то, что мы называем «участком» пространства, в котором произошёл Большой взрыв, может быть бесконечного размера. Если центр есть, он буквально может быть везде, и мы бы об этом не узнали; части наблюдаемой нами Вселенной недостаточно для того, чтобы это узнать. Нам нужно было бы увидеть край, фундаментальную анизотропию (где разные направления отличаются друг от друга) по температурам и количеству галактик, и наша Вселенная, на крупнейших масштабах, на самом деле выглядит одинаково везде и во всех направлениях.

Логарифмическое изображение наблюдаемой Вселенной в представлении художника

Не существует места, с которого Вселенная начала расширяться из-за Большого взрыва; существует время, с которого Вселенная начала расширяться. Именно это и есть Большой Взрыв – условие, влияющее на всю наблюдаемую Вселенную в определённый момент. Поэтому смотреть на дальние расстояния во всех направлениях – значит, смотреть в прошлое. Поэтому у всех направлений примерно одинаковые свойства. И поэтому нашу историю космической эволюции можно отследить назад, так далеко, как далеко могут заглянуть наши наблюдения.

Галактики, похожие на Млечный Путь, и их прошлое

Возможно, у Вселенной конечный размер и форма, но если так – эта информация нам недоступна. Часть доступной нам для наблюдений Вселенной конечна, и та информация внутри этой части не содержится. Если вы будете представлять Вселенную в форме шарика, батона или другой понравившейся вам аналогии, помните, что у вас есть доступ только к крохотной части настоящей Вселенной. То, что мы наблюдаем – это нижний предел того, что там есть. Она может быть конечной, может быть бесконечной, мы уверены только в том, что она расширяется, у неё уменьшается плотность, и чем дальше мы смотрим, тем глубже в прошлое можем заглянуть. Как сказала астрофизик Кэти Мэк:

Вселенная расширяется так, как расширяется ваше сознание. Оно ведь не расширяется куда-то; вы просто становитесь менее тупым [dense (англ.) – «плотный», а также «тупой» / прим. перев. ]

Современная теория гравитации, общая теория относительности (ОТО) утверждает, что материя влияет на геометрию пространства и времени, искривляя её и таким образом создавая гравитационное притяжение. Физики экстраполировали это утверждение и нашли способ описывать геометрию всей Вселенной с помощью ОТО. Материя, в этом случае, заставляет Вселенную расширяться, то есть со временем между удаленными друг от друга объектами пространство будет растягиваться и объекты будут разлетаться. Этот факт экспериментально обнаружил американский астроном Хаббл. Согласно современным представлением, расширение Вселенной означает, что должен быть Большой взрыв, то есть момент, когда вселенная Возникла из чего-то, из чего мы не знаем, и начала расширяться. Было вычислено, что Большой взрыв произошел почти 14 млрд. лет назад.

Из астрономических наблюдений ученые установили, что если посмотреть на Вселенную на очень больших масштабах, больше масштабов скоплений галактик, Вселенная симметрична: пространственно однородна и изотропна (одинакова во всех направлениях). Уже отсюда понятно, что у Вселенной не может быть выделенного центра с точки зрения ОТО, ведь на больших масштабах Вселенная симметрична, а наличие центра - нарушение симметрии.

Как же это все может выглядеть в действительности? Согласно ОТО, симметричная Вселенная описывается одной из моделей Фридмана. Современные наблюдения не позволяют понять какой. Существуют три возможных сценария:

1) Вселенная плоская и бесконечная. Это то обычное пространство, которое мы все проходили в школе. Вселенная простирается бесконечно далеко, везде наблюдается то же что и у нас, есть какие-то скопления галактик, звезды. Понятно что у такой картины нет какого-то центра. Соседние скопления разлетаются друг от друга, поскольку вселенная расширяется. Соответственно поскольку вселенная возникла около 14 млрд. лет назад, мы видим только то, откуда свет успел до нас за это время долететь. И то, чем дальше мы смотрим, тем более молодую вселенную мы видим.

2) Вселенная имеет отрицательную кривизну и бесконечна. Почти то же что и в прошлом варианте, только локально пространство выглядит как седло, то есть поверхность, которая в двух перпендикулярных направлениях искривляется в противоположные стороны. Только поверхность седла двумерна и "вложена" в трехмерное пространство, а тут все трехмерно и ни во что не вложено. Наглядно это сложно себе представить. Сумма углов очень больших треугольников меньше 180 градусов, но во всем остальном практически то же самое.

3) Вселенная конечна и имеет положительную кривизну. Самый завораживающий вариант. Давайте возьмем сферу. И представим, что мы живем исключительно на поверхности и даже голову вверх поднять не можем. Когда мы будем ползать по сфере, нам она будет казаться симметричной, везде мы будем видеть ту же картину. У поверхности сферы нет центра на сфере. Но мы всегда сможем понять что мы на сфере, например нарисовав треугольник и посчитав сумму углов, она будет больше 180 градусов. Согласно третьей модели вселенная именно такая сфера, но трехмерная. То есть у нас есть 3 направления чтобы ползать, если мы будем идти долго в любом направлении, то в итоге придем в исходную точку. Если вселенная такая сфера, то радиус у нее должен быть очень большим, и мы не сможем увидеть нашу галактику со спины, потому что свет за время существования вселенной так много пока не прошел. Но как и в прошлых ситуациях, у такой сферы нет выделенного центра. Если бы такая сфера была поверхностью в четырехмерном пространстве, он бы был, но лежал бы не на сфере. Но математика может работать и со сферой ни во что не вложенной, поэтому часто такое предположение о многомерности нашей вселенной считается лишним.

Николай, спасибо за ответ. К сожалению, для меня все еще загадка, почему у пространства с конечным объемом (это, насколько позволяют мои знания, не противоречит моделям Фридмана) не может быть центра. Ну и Большой Взрыв, как место рождения вещества, тоже смущает.

Что касается причин расширения вселенной, то это, вроде, относят к влиянию темной материи, но не барионного вещества.

По правде, я прочитал приличное количество всяких статей на эту тему, но никак не пришел к пониманию.

Ответить

Как я уже сказал, наша трехмерная закрытая вселенная может быть и ни во что не вложена. Математика это разрешает. Теперь давайте посмотрим на землю. Поверхность земли двумерна. Где у поверхности земли центр? Что-то над поверхностью или под поверхностью не существует, у нас нет третьего вертикального измерения. Такие вещи как центр, направление изгиба поверхности итд просто неопределены, когда мы живем на двумерном шаре и не можем смотреть ни вверх, ни вниз. Но мы конечно можем понять, что шар кривой, строя разные треугольники и считая сумму углов (на шаре она может быть хоть 270). Математики в таком случае определяют два класса величин, intrinsic и extrinsic, я не знаю точного перевода. Пусть будет внутренние и внешние. Так вот, топология - внутренняя характеристика, мы можем долго ходить в разных направлениях и понять, что все прямые сходятся в одной точке, нам для этого не нужно слезать с шара. То же и с кривизной, мы можем треугольники строить и сумму углов считать. А вот наличие "центра" такой сферы в 3D пространстве или направления изгиба - это все внешние характеристики. Пока нет никаких прямых указаний, что есть другие измерения, поэтому гипотеза о центре вселенной в 4D пространстве излишняя. Забавная вещь, например, происходит с кривой. Линия в 2D пространстве может иметь кривизну, но сидя на самой линии мы не можем ввести такую внутреннюю меру. Поэтому внешне кривая может быть кривой, а внутренне все кривые эквивалентны.

Про расширение вселенной, заметный вклад в современное расширение вносят темная энергия ~70%, темная материя ~25% и барионная материя ~5%. Так что в основной вклад вносит темная энергия, именно из-за ее необычных свойств (отрицательное давление при положительной плотности энергии) мы сейчас расширяемся с ускорением, для этого мы ее и ввели. Темная и обычная материи похожи по влиянию на расширение, если бы были только они, вселенная расширялась бы с замедлением.

Ответить

Добавлю про расширение и Большой взрыв. В модели с трехмерной сферой большой взрыв - это когда сфера возникла, и радиус перестал быть нулем. Большой взрыв произошел везде в том смысле что пространство возникло сразу и всюду, заполненное чем-то более-менее однородным. После этого вселенная стала расширяться. В случае обычной сферы расширение похоже на надувание шарика, соответственно оно везде одинаково и изотропно. Но, как я уже сказал, аналогия неполная. На деле есть только поверхность сферы, а то что мы представляем картину в виде шарика - это просто способ визуализации.

Ответить

Ещё 5 комментариев

Современная базовая модель вселенной Лямбда-CDM не дает однозначного ответа на этот вопрос. Согласно теории относительности для вселенной можно написать одно большое уравнение баланса. Относительные вклады в расширение вселенной разных компонент обозначаются греческими Ω. Для обычной материи Ω_B~0.05, темной материи Ω_DM~0.25, темной энергии Ω_Λ~0.7. Можно считать, что эти вклады соответствуют массам разный компонент, например что вселенная на 70% состоит из темной энергии, на 25% из темной материи, на 5% из нашего обычного вещества. Теория относительности также требует добавить вклад кривизны Ω_k, если вклад кривизны положителен, то будет первый мой вариант, если отрицателен, то замкнутая сфера, если нуль, то плоская вселенная. В сумме все вклады должны равняться 100%, то есть единице: Ω_B+Ω_DM+Ω_Λ+Ω_k=1. Так вот, современные наблюдательные данные показывают, что Ω_B+Ω_DM+Ω_Λ=1.0023±0.005, то есть подходят все три варианта. С уверенностью можно сказать только то, что вселенная очень плоская. И что если она трехмерная сфера, то у этой сферы очень большой радиус и плоская поверхность.

Давайте на мгновение задумаемся о физике взрыва и какой была бы наша Вселенная, если бы с него началась.

Вселенная не расширяется в чем-то; она просто становится менее плотной.

Известно, что Вселенная образовалась в результате так называемого взрыва. Но это не означает, что мы всё знаем о ней. Начнём с того, что взрыв не был таким, что всё началось с плотной субстанции, обладающей высокой температурой, а потом остыло. Более того, до сих пор не понятно, есть ли у Вселенной центральная часть .

Логично предположить, что если она расширяется, то откуда то, значит, она есть. Рассмотрим, как происходило испытание «Тринити». По прошествии 16 миллисекунд от начала взрыва верхняя часть огненного шара находится на высоте, равной 200 м. То есть, взрыв идёт в некой точке и расползается.

При этом быстрее наружу попадает наиболее быстро движущийся материал. А плотность энергии дальше от эпицентра взрыва снижается быстрее. По прошествии времени состав Вселенной изменяется, формируются Галактики, звёзды. Потом они сливаются с большими Галактиками. То есть, мы думаем, что чем дальше мы заглядываем, тем моложе там Вселенная , что неверно.

Как обстоит дело на самом деле

На самом деле на любом расстоянии Вселенная выглядит равнозначно. И на огромном удалении объектов намного больше, чем на меньшем. При этом учёные предполагают, что, если Вселенная сформировалась в результате взрыва, её центром должен быть Млечный Путь. Но не слишком ли это щедро с её стороны, что мы находимся в самом её центре? Если бы начало Вселенной заключалось именно во взрыве, мы бы удалились от её центра.

Таким образом, логично предположить, что Вселенная началась не с плотного и горячего состояния, и не со взрыва, а с расширения – а это несколько иное понятие. И оно совершенно не говорит в пользу того, что отсчёт пошёл с 1 точки. Это могла быть целая область.

Более того, большой взрыв мог происходить сразу в нескольких частях. Воспринять такое положение дел человеку сложно, но оно имеет под собой разумные основания.

Взять хотя бы свет, уже ясно, что, благодаря ему мы видим сильно отдаленные части галактик такими, какими они были в прошлом. То, что видим мы, представляет собой особый космический фон, его видно абсолютно из любой части Вселенной .

При этом центра у Вселенной может и не быть. А то, откуда она пошла, может быть и бесконечностью. А если имеется центр, он может располагаться там, где мы и предположить не можем. Люди не обладают достаточной информацией для того, чтобы точно утверждать, что они правы. Мы просто видим всё со своей человеческой точки зрения.