Масштабы космического пространства настолько огромны, что человеческому разуму невозможно не только измерить их, но даже представить подобные величины в воображении. В разные исторические периоды в распоряжении ученых были определенные инструменты и методы для вычисления размеров Вселенной. Поэтому числа, представленные астрономами разных эпох, могут сильно отличаться.
Оглавление
Границы безграничного пространства
В представлении большинства людей космические просторы не имеют края. Однако современные исследователи размеров Вселенной называют определенную цифру в 45,7 млрд световых лет. При этом за границами мироздания не обязательно должна быть вакуумная пустота. Скорее всего, за краем одной Вселенной начинается другая. Если ученые говорят о возрасте, массе и размерах определенной космической единицы, значит — она конечна, несмотря на непостижимо огромные значения измерений.
Подобные открытия и утверждения обычно кардинально воздействуют на представления человечества на его место в Космосе. Одним из самых значительных примеров может служить научный труд Николая Коперника о том, что Земля не является центром Солнечной системы. Другой астроном, Эдвин Хаббл, в начале 20 века, с помощью усовершенствованного телескопа, смог выдвинуть гипотезу об отдаленных галактиках, из которых состоит Вселенная. Ученый также утверждал, что Космос образовался в результате Большого взрыва.
Расширение представлений о границах Космоса
В древности скорость и возможности передвижения человека были ограничены, даже в пределах собственной планеты. Они не могли охватить ее размеры и форму не только в материальном плане, но и в своем разуме. Отсюда происходят такие попытки объяснить устройство мира, как легенды о плоской Земле, лежащей на трех китах, черепахе или слонах. Разные народы выбирали для создания мифов собственные впечатления от окружающего их мира. Общим оставалось только представление о незыблемости и центричности земной тверди. Даже астрономы первых развитых цивилизаций не смогли отказаться от теорий, утверждающих, что все небесное пространство вращается вокруг их планеты. В богатом и разноплановом научном обществе Древней Греции встречались также мнения отдельных философов, математиков и астрономов, которые считали, что планеты движутся вокруг светила, а во Вселенной существует множество подобных друг другу миров.
Новый виток научных достижений начался с эпохи Возрождения в Европе, когда появилось несколько смелых астрономов, продвинувшихся в области правильных выводов. Джордано Бруно, Галилео Галилей и Николай Коперник положили начало современной теории гелиоцентризма. Древние гипотезы и зачатки правильных представлений были научно подтверждены, только с расширением технических возможностей изучения Космоса.
Множество солнечных систем
До 19 века астрономическая наука в определенном смысле топталась на одном месте, так как не было инструментов для измерения расстояний между звездами. Такое положение усугублялось теорией о единственном Солнце, вокруг которого движутся все небесные тела. Из-за ошибки в основе положения, ученым на протяжении нескольких веков не удавалось осуществить промеры годичных параллаксов, которые зависят от положения звезд относительно земной орбиты.
Только в 1837 году произошел большой скачок в представлениях об устройстве и масштабах вселенского пространства. Астроному Василию Струве удалось сделать промеры параллакса Альфа Лиры. Открытие показало, что Солнце не является единственным в космическом пространстве, а другие звезды представляют собой такие светила, образующие свои системы. Кроме того, найденный способ измерения приблизил научное сообщество к новым представлениям о чудовищно огромных расстояниях между звездами, а также общих космических масштабах.
Множество галактических Млечных путей
Часто новаторские идеи в науке о звездах принадлежали философам или математикам. Известны случаи, когда астрономы открывали небесные тела с помощью оптической аппаратуры, вычисленные десятки лет до этого. С другой стороны, великому философу Иммануилу Канту принадлежат гипотезы о гигантских масштабах структурированной Вселенной. Еще в 1755 году ученый объяснил природу Млечного Пути, как огромного вращающегося скопления звезд и планет. Наблюдаемые в космическом пространстве туманности философ также считал «млечными путями», только расположенными очень далеко от Земли. Несмотря на логичность его доводов, астрономическая наука долго придерживалась теории о том, что туманности представляют собой некие инкубационные сгущения, где рождаются солнца, чтобы потом занять свое место в Млечном Пути.
В 20-м веке, ученые Э. Герцшрунг и Х. Шелли, начали проводить измерения космических расстояний, используя «цефеиды», которые являются звездами особого типа. Величина абсолютной светимости у них находится в пропорциональной зависимости от периодов цикличности. Расстояние до них легче вычислить, если сравнить значение видимой светимости с числом абсолютной. Таким образом, астрономом Э. Эпиком было определено расстояние до галактики Андромеда. Оказалось, что она намного превосходит по масштабу Млечный Путь.
Благодаря яркости все тех же цефеид, Эдвин Хаббл открыл закон, изменивший многие существующие положения астрономии. В 1929 году ученый начал сравнивать расстояние до этих своеобразных цикличных звезд с их спектральным смещением красного цвета. Благодаря работам Хаббла, стало известно, что галактика под названием Млечный Путь является одной из множества таких же космических образований невероятно огромных размеров. Предположение философа Канта о бескрайней Вселенной подтвердилось почти через 200 лет после его кончины.
Законы, открытые Хабблом помогли ему найти связь между скоростью удаления галактики и расстоянию от нее до объекта наблюдения. Данный метод помог воссоздать всю картину структуры Вселенной. Она представлялась огромным пространством, в котором галактики собирались в мелкие, а затем в более крупные скопления. Из галактических соединений образуются еще большие структурные элементы, называемые стенами, струнами и нитями. Они пронизывают супер пустотное пространство (войды), наполняя Вселенную.
Обманчивая очевидность бесконечности
Первым в недалекой истории, кто заявил о множестве солнечных систем с вращающимися вокруг светил планетами, был Джордано Бруно. Без сложной техники и современных инструментов, отважный первопроходец космических просторов сумел опередить науку на несколько столетий. О бесконечности многообразной Вселенной первым заговорил английский физик Исаак Ньютон. После великого открытия им Закона о всемирном тяготении, он высказал гипотезу о том, что весь Космос может со временем соединиться в одно огромное и бесконечное целое. Только в 20-м веке наука вышла на совершенно новый уровень, и устоявшиеся факты о безграничных Вселенных пошатнулись под натиском новых доказательств и открытий.
Модели Вселенной
От космического пространства, которое Ньютон видел скоплением солнечных систем, стремящихся к объединению, астрономы пришли к современному пониманию модели Вселенной. Основываясь на теории относительности Эйнштейна и открытиях Хаббла, физик А. А. Фридман создал новое космогоническое понятие расширяющейся галактики. На основе созданной им модели, в настоящее время астрономы рассматривают две модификации, одна из которых – замкнутая, а другая – открытая. В первом случае, Вселенная постепенно замедляет свое расширение, приступая к периоду сжатия. Во втором – ее расширение замедляется на протяжении бесконечно большого периода.
Стационарная Вселенная
Согласно законам, открытым Ньютоном, любая галактика постепенно идет к своему схлопыванию. Максимальное приближение всех краев Вселенной к центру, по мнению ученого, должно неизбежно случиться из-за действия сил всемирного тяготения. В 1917 году современную космогоническую модель стационарных галактик создал Альберт Эйнштейн. За год до этого ученый представил миру новую теорию относительности, которая легла в основу разработки стационарной Вселенной.
Особенность заключается в том, что конечным Эйнштейн считает пространство, существующее в бесконечном времени. Для объяснения гравитационной компенсации, действующей на каждый космический объект, ученый ввел в физику понятие константы. Постоянной, по его мнению, является замкнутая сфера Вселенной. Она существует в трехмерном пространстве, аналогичном глобусу. В такой модели галактики можно бесконечно путешествовать по кругу и никогда не достигать ее границ. Огибая стационарную модель Вселенной-сферы, путешественник неизменно будет приходить в точку начала пути, которая одновременно будет являться и его финишем.
Поверхность гиперсферы
Аналогично кругосветному путешествию по планете, можно представить себе такую же траекторию пути, но проделанную в огромном масштабе галактики. Космические корабли будущего, вероятно, смогут преодолевать такие расстояния, чтобы совершать полеты вокруг Вселенной. Разница заключается в том, что вместо двухмерной сферической поверхности, звездолетам будущего придется двигаться по гиперсфере, существующей в трехмерном измерении. Вылетев с Земли или из другой стартовой точки, корабль вернется обратно, не встретив на своем пути какого-либо центра или краев Вселенной что говорит об относительности данных понятий.
В космогонической теории Эйнштейна существовали гравитационная постоянная, а также независимых друг от друга времени и пространства. До появления теории относительности данная модель Вселенной теоретически существовала исключительно в геометрической системе Евклида. Эйнштейн доказал, что искривление отношения пространства-времени само по себе вызывает силу тяготения.
Представление о расширении Вселенной
Эйнштейну удалось найти границы галактики, но в его представлении она оставалась неизменной и стационарной. В его представлении, величина Вселенной должна существовать вечно, без изменений. Однако в 1922 году русский ученый Александр Фридман внес в эту модель значительные изменения. Он опроверг статичное состояние Вселенной, доказав, что она сжимается или расширяется под действием времени, притяжения и других естественных факторов. Фридман отказался от использования космологической константы, но использовал для создания своей модели галактики теорию относительности.
На разных этапах существования галактики, интенсивность действия внутренних сил притяжения влияет на поэтапные изменения в ее состоянии. После Большого взрыва происходит замедление расширения, но его ускоряет большой разрыв между отдельными космическими телами, каждое из которых в то же время обладает собственными силами тяготения друг к другу. Из-за постоянного накопления количества темной энергии и неизбежного нового витка замедления, Вселенная приходит к процессу большого сжатия, а затем полностью схлопывается.
Новая модель существования галактик по теории Фридмана, могла существовать сразу во всех видах геометрических пространств – Евклида, Лобачевского и Римана. Альберту Эйнштейну было трудно менять свои убеждения, которые имели важную неточность. Только открытие другого великого астронома Хаббла о разбегании Вселенных убедило создателя теории относительности в его заблуждениях. Теперь возраст галактики стало возможным определять с помощью константы Хаббла и скорости расширения.
Продолжение развития космогонической теории
На смену одному поколению ученых приходят другие, которых интересуют все те же вопросы, но более подробно и точно. Вопрос о границах Вселенной и этапах ее существования оставался на повестке дня. В дальнейшем астрономы не оставляли попыток создания различных моделей галактики, постоянно дополняя их новыми открытиями. Так, понятие «горячей Вселенной» было предложено в 1948 году ученым Георгием Гамовым. Данное предположение было фактически доказано, когда в 1965 году произошло открытие существования в космосе «реликтового излучения», возникшего в результате Большого взрыва. Научные факты помогли объяснить свои наблюдения света, который возник еще в то время, когда галактика представляла собой прозрачную субстанцию.
Еще одной справедливой гипотезой стала теория о существовании темной материи во Вселенной. Предположение, высказанное астрономом Ф. Цвикки, в 1932 году, стало доказанным фактом в 1975-м. Вместо вселенского вакуума, космическое пространство оказалось наполненным невидимой массой, имеющей собственное энергетическое значение и влияние. Учение о структуре Космоса теперь объясняло образование галактических скоплений и каждой Вселенной. На ее расширение влияет темная энергия, а материя той же природы воздействует на сжатие. Обе этих силы в конечном итоге являются определяющими в судьбе каждой галактики. Если бы теория о космическом вакууме оказалась правдой, то всего через 100 млрд лет все существующие Вселенные могли бы схлопнуться. В данный момент астрономия находится на своем обычном этапе ожидания подтверждения глобальной гипотезы, так как частицы темной материи пока никому не удалось открыть.
Очередной крупный поворот в астрономии произошел в 1998 году, когда в ходе измерения расстояния до сверхновых звезд «Ia» выяснилось, что расширение Вселенной происходит с ускорением. Открытие вернуло в космогоническую теорию постоянный коэффициент Эйнштейна, отвергнутый ранее Фридманом. С помощью константы можно объяснить понятие гипотетической темной энергии и вычислить ускорение процесса расширения.
Современные знания о масштабах Вселенной
Новейшие исследования астрофизиков утверждают, что константа Хаббла соответствует величине в 71 км\сек. Исходя из значения космологической постоянной, можно принять возраст Вселенной в 13,75 миллиардов лет. По теории относительности, от возрастного значения зависит наблюдаемый размер галактики.
Исходя из теории относительности, видимая информация достигает точку наблюдателя со скоростью, не превышающей скорость света, значение которой – 300 000 км\сек. Таким образом, на Земле можно воспринимать прошлое небесных тел, расположенных очень далеко. Зная расстояние до Солнца, можно вычислить, что его свет доходит до планеты примерно за 8 минут. Луна всегда показывается перед людьми с опозданием на секунду. Можно наблюдать галактики, которые существовали в современном нам виде около миллиона лет назад. Свет звезд может идти до Земли годами, в зависимости от расстояния.
В современной картине космоса Вселенная обладает определенным возрастом, а значит у нее есть и предел видимости. Однако ее границы не могут оставаться в одной сферической величине, так как работает закон расширения. Небесный объект может испустить фотон света, но оказаться на гораздо большем расстоянии до наблюдателя, когда наконец его достигнет. Зафиксированная величина представляет горизонт частиц или границу галактики.
Что находится за горизонтом частиц?
Самым дальним световым излучением, которое можно наблюдать на земле, является реликтовое. По нему астрономы могут судить о состоянии Вселенной, которое было ей свойственно через 380 тысяч лет, прошедших после глобального стартового взрыва. В это время водородное и гелевое облако остыло до температуры, при которой стало возможно излучение фотонов. Отдельные сгустки в этом космическом образовании впоследствии превратились в скопления галактик. Именно они находятся на самом близком расстоянии к горизонту частиц, физически наблюдаемому в телескопы. Если справедливо утверждение о расширении галактики с ускорением, то многие объекты вскоре станут невидимыми с Земли и окажутся за этим горизонтом.
Вопрос о границах Вселенной открыт
Ученые разных эпох признавали бесконечность Вселенной, но вкладывали в это понятие различный смысл и теории. Одни из них предлагают гипотезы о многомерности космоса, где существует несколько слоев. Другие видят космос одним из проявлений фрактальной геометрии, где каждая малая структура повторяется в огромных проекциях. Имеется и предполагаемая модель Мультивселенной, которая состоит из множества параллельных.
Чтобы представить реальные размеры Вселенной, можно принять за источник ее возникновения бесконечно малую величину. Почти нулевая точка, в результате Большого взрыва, получила гигантский импульс к расширению и выросла до бесконечно огромных масштабов занимаемого пространства. При этом, все галактики обладают своим горизонтом частиц, реликтовым излучением и взаимным притяжением космических объектов.
