Вы уже наверняка слышали, что Вселенная началась с Большого взрыва 13,8 млрд лет назад, и сформировала атомы, звёзды, галактики, и, наконец, планеты с нужным для появления жизни составом. Заглядывая в отдалённые места Вселенной, мы также заглядываем и назад во времени, и каким-то образом, благодаря возможностям физики и астрономии, мы вычислили не только, как началась Вселенная, но и её возраст. Но откуда нам известно, сколько ей лет? Именно такой вопрос и задаёт нам читатель:
Итан, как подсчитали это число в 13,8 млрд лет? (Только объясни понятным языком, пожалуйста!)
На самом деле есть два разных, независимых метода измерения этой величины, и хотя один из них гораздо точнее другого, в менее точном используется гораздо меньше предположений.
Более точный метод предлагает подумать о том, что Вселенная расширяется и охлаждается, а значит, в прошлом она была горячее и плотнее. Если возвращаться назад во времени, мы обнаружим, что в меньшей по объёму Вселенной не только вся материя располагалась ближе друг к другу, но и длины волн всех фотонов были короче, поскольку расширение Вселенной растянуло их до сегодняшнего состояния.
Поскольку длина волны фотона определяет его энергию и температуру, коротковолновый фотон более энергичен и горяч. Чем дальше мы будем возвращаться во времени, тем выше будет температура, пока в какой-то момент мы не достигнем самых ранних этапов Большого взрыва. Важно: у горячего Большого взрыва был этап, который можно назвать самым ранним!
Если мы будем вести экстраполяцию в прошлое бесконечно, то достигнем сингулярности, в которой физика перестаёт работать. С нашим современным пониманием раннего состояния Вселенной мы знаем, что горячему и плотному Большому взрыву предшествовало состояние инфляции, и её длительность была неопределённой. Когда мы говорим о возрасте Вселенной, мы говорим о том, сколько времени прошло с тех пор, когда Вселенную впервые можно было описывать через горячий Большой взрыв.
По законам Общей теории относительности, в такой Вселенной, как наша:
• с одинаковой плотностью на крупнейших масштабах,
• с одинаковыми законами и свойствами во всех местах,
• одинаковой по всем направлениям,
• с Большим взрывом, случившимся во всех местах одновременно,
существует уникальная связь между возрастом Вселенной и её расширением в течение жизни.
Иначе говоря, если мы сможем измерить, как Вселенная расширяется сегодня, и как она расширялась в течение жизни, мы точно вычислим, из каких компонентов она состоит. Нам это известно из множества различных наблюдений, а именно:
• Из прямых измерений яркости и расстояний до таких объектов Вселенной, как звёзды, галактики и сверхновые, которые позволяют нам построить космическую лестницу расстояний.
• Из измерений крупномасштабных структур, скоплений галактик и барионных акустических осцилляций.
• Из флуктуаций в фоновом излучении, в «фотографии» Вселенной, сделанной, когда ей было 380 000 лет.
Объединив всё это, мы получим Вселенную, в настоящий момент состоящую на 68% из тёмной энергии, на 27% из тёмной материи, на 4,9% из нормальной материи, на 0,1% из нейтрино, на 0,01% из излучения, и, в общем-то, всё. Но если добавить сегодняшние особенности расширения Вселенной, это можно экстраполировать назад и узнать всю историю расширения, и, следовательно, возраст Вселенной.
Получившееся число – точнее всего нам даёт его эксперимент Планк, но вносят свои коррективы и другие источники, вроде измерений сверхновых, телескоп Хаббла и Слоановский небесный цифровой обзор – оказывается равным 13,81 млрд лет, с погрешностью всего в 120 млн лет. Это значит, что в возрасте Вселенной мы уверены на 99,1%, что удивительно точно!
Да, различных данных, указывающих на это число, у нас много, но на самом деле это один метод. Нам просто повезло, что существует непротиворечивая картинка, на которую указывают все данные, но каждого из этих ограничений по отдельности недостаточно, чтобы сказать: «Вселенная именно такая». Вместо этого все они предлагают набор возможностей, и о том, где мы живём, говорит место их пересечений.
Если бы у Вселенной сегодня были абсолютно те же свойства, но она состояла бы на 100% из нормальной материи, без тёмной материи и тёмной энергии, то ей было бы всего 10 млрд лет. Если бы во Вселенной было 5% нормальной материи (без тёмной материи и тёмной энергии), а константа Хаббла равнялась бы 50 км/с/Мпс вместо 70км/с/Мпс, то Вселенной было бы 16 млрд лет. Но, комбинируя все известные данные, мы с уверенностью можем заявить, что 13,81 млрд лет – это возраст Вселенной с небольшой погрешностью. Это удивительное достижение науки.
И всё это в целом даёт один метод. Это главный, лучший, наиполнейший метод, с огромным количеством различных доказательств. Но есть и ещё один факт, удивительно полезный для проверки наших результатов.
Мерцание звёзд – доказательство их переменчивости из-за уникального отношения периода мерцания к яркости.
Это факт нашего понимания того, как звёзды живут, сжигают своё топливо и умирают. Конкретнее, мы знаем, что у всех звёзд, когда они живы и сжигают своё главное топливо (синтезируют гелий из водорода), есть определённая яркость и цвет, и они сохраняют эти яркость и цвет определённый промежуток времени: пока в их ядрах не начинает заканчиваться горючее.
В этот момент яркие, голубые и более массивные звёзды начинают «выключаться» из главной последовательности (кривой на диаграмме цвета и величины), превращаясь в гигантов и/или сверхгигантов.
Посмотрев, где находится эта точка «выключения» для скопления звёзд, появившихся примерно в одно и то же время, мы можем подсчитать – зная, как работают звёзды – сколько лет звёздам в кластере. Рассматривая самые старые шаровые скопления, где содержится меньше всего тяжёлых элементов, и чьи выключения случаются со звёздами наименьшей массы, мы обнаруживаем, что их возраст весьма последовательно оказывается равным 13,2 млрд лет, но не более того (имейте в виду, что в этом случае погрешность довольно велика, порядка миллиарда лет).
Возраст самых древних из известных шаровых скоплений подходит к 95% возраста Вселенной.
Довольно часто встречается возраст в 12 млрд лет, но возрасты порядка 14 млрд лет и более не встречаются никогда, хотя в 1990-х часто упоминали о возрастах в 14-16 млрд лет. Улучшение понимания работы звёзд и их эволюции снизило эти цифры.
В общем, у нас есть два метода – один из космической истории, а второй – из измерения локальных звёзд – показывающих, что возраст нашей Вселенной находится в промежутке от 13 до 14 млрд лет. Никого бы не удивило, если бы нам оказалось 13,6 млрд или 14,0 млрд, но можно с большой точностью заявить, что нам не 13,0 или 15,0 млрд лет. Говорите с уверенностью, что нам 13,8 млрд лет – теперь вы знаете, как мы это подсчитали!
Комментарии (30)
Nuwen
02.07.2017 19:16+4Мерцание звёзд – доказательство их переменчивости из-за уникального отношения периода мерцания к яркости.
Рискну предположить что имелось ввиду не мерцание, вроде того, которое создаётся атмосферой, а переменный блеск Цефеид.
mafia8
03.07.2017 00:15+1С каких пор считают, что законы физики начали действовать?
Какая масса и радиус были у вселенной в это время?
Ilyasyakubov
03.07.2017 00:30Вроде пара сотен метров
mafia8
03.07.2017 20:19Чего мелочиться, возьму радиус орбиты Нептуна 30 а.е.
Масса вселенной 10^53 кг.
Формула: v*v=2*G*M/R
v — вторая космическая скорость,
G — гравитационная постоянная 6,7*10^-11,
M — масса вселенной 10^53 кг,
R — радиус вселенной в какой-то момента времени.
Разделю обе части уравнения на с*с. То есть буду смотреть на отношение v/c.
v/c=10^11.
Что-то много. Уберу 8 нулей у массы вселенной и добавлю 8 нулей к радиусу. Тогда
v/c=1000. У чёрной дыры v/c больше 1. То есть это — «сильная» чёрная дыра.
4,5*10^12*10^8=4,5*10^20 м = 45 000 световых лет. То есть свет доберется до этого радиуса через 45 тысяч лет. А массивные объекты — ещё позже.
Итого: через 45 тысяч лет вселенная — всё ещё чёрная дыра. И она не может в таких условиях расширяться (если теория чёрных дыр верна).
vedenin1980
03.07.2017 00:39+3Законы физики действовали всегда, другое дело что человечество пока не знает достоверно какие законы действовали до Большого Взрыва (причем совсем не обязательно что до БВ ничего не было), но ученым более-менее понятны физические процессы в первые 10^?43 секунд после БВ (планковское время) и когда Вселенная умещалась в планковский радиус (~10^?35 м)
Chupakabra303
03.07.2017 10:48Тут с геометрией поаккуратнее надо. Лучше применять аналогию с поверхностью надувного шара (именно с поверхностью, а не объемом). Так вот поверхность — это и есть пространство нашей вселенной и сейчас шар надувается и поверхность растягивается. Вот это и есть растягивание пространства нашей вселенной, для двух любый точек на поверхности шара расстояние между ними растет, хотя сами точки неподвижны, просто меняется сама сетка пространства. Теперь можно поверхность сферы экстраполировать назад во времени, когда расстояние между любыми двумя точками будет меньше планковского, к примеру. Получается, что это все тот же воздушный шар, но с очень плотной сеткой, пространство все также занимает всю площадь на его поверхности, причем эта площадь бесконечна на самом деле, т.к. вселенная бесконечна, но компановка сетки очень плотная. Не в коем случае не нужно использовать для аналогии объем — это основная ошибка в рассуждениях о большом взрыве. Т.к. с ростом объема не очевидно, что меняется сетка пространства, а с резиновой поверхностью на шаре это осознать проще.
Chupakabra303
03.07.2017 10:56А площадь все также бечконечна, потому что стандарт метра ужимается вместе с сеткой )
igrig
03.07.2017 02:07расширившийся объём наблюдаемой Вселенной изначально занимал не более 10-29 м (или меньше, чем одна триллионная от 1% размера фотона)
Большой взрыв случился везде одновременно
maslyaev
03.07.2017 01:19+1Ну ОК, с годом разобрались. Теперь бы дату выяснить. Иначе как на Вселенную составить гороскоп?
Zergos_Z
03.07.2017 12:05Тут дела поважнее гороскопа! Когда день рождения вселенной отмечать? Ведь можно будет создать календарь, который основывается не на предполагаемой дате рождения мифического персонажа, а от момента возникновения пространства-времени!
GeMir
03.07.2017 08:02+1«Это значит, что в возрасте Вселенной мы уверены на 99,1%» — в оригинале речь идёт не о вероятности а о точности измерения: «This means we’re confident in the age of the Universe to 99.1% accuracy, which is an amazing feat!»
Zergos_Z
03.07.2017 11:59У меня возникает вопрос: мы знаем что вселенная расширяется, мы можем измерять скорость этого расширения и ускорение. неужели нельзя зная это, расчитать время, когда все галактики находились в одной точке? Или же с этим какие-то трудности?
vedenin1980
03.07.2017 12:20неужели нельзя зная это, расчитать время, когда все галактики находились в одной точке? Или же с этим какие-то трудности?
Никаких трудностей, все «галактики» (точнее то из чего они потом возникнут) находились в одной точке в момент Большого взрыва, а когда они начали возникать уже были далеко друг от друга. Вот так просто.
Вы наверное имеете в виду вопрос «где центр Вселенной или точка Большого Взрыва?». Ответ прост везде и нигде, вся Вселенная существовала в одной точке в момент БВ, поэтому центр не просто найти нельзя, его просто нет, как невозможно найти не поверхности надувающегося воздушного шара точку где был центр. Или любая точка современной Вселенной это центр.
Если хотите центр Вселенной лежит в 4 мерном пространстве (где 4 измерение это время) и найти его тогда просто достаточно вернуться в момент БВ.
Siper
03.07.2017 13:01Можно рассчитать, но т.к. движение нормально не описать ньютоновской механикой, то без корреции с учетом ЧМ/ЧЭ результат получается неверный.
WRP
05.07.2017 11:41Когда Вселенной было 380 тысяч лет, то каков был её «диаметр»? Почему не произошёл гравитационный коллапс?
rrrrex
05.07.2017 11:41Как происходит распространение законов физики нашей вселенной? Что на границе вселенной и пустоты?
QtRoS
11.07.2017 22:33Всегда было интересно взглянуть на эту цифру с точки зрения теории относительности. Если время относительно, то что она дает? Возраст в системе наблюдателя, который движется со скоростью Земли?
igrig
Странно, ни слова о реликтовом излучении.
Zulus-Imba
Реликтовое излучение, слишком реликтово, что бы на него отвлекалась современная наука. :)
GreenGoblin
> Из флуктуаций в фоновом излучении, в «фотографии» Вселенной, сделанной, когда ей было 380 000 лет.
Gadd
AlexRay
Таки упомянуто.
nickName0
Тоже помню, что возраст вселенной оценивали по спектральной плотности реликтового излучения.
И — что не понял:
С нашим современным пониманием раннего состояния Вселенной мы знаем, что горячему и плотному Большому взрыву предшествовало состояние инфляции, и её длительность была неопределённой.
Инфляция — это процесс расширения.
Он (этот процесс) имел место уже ПОСЛЕ Большого Взрыва.
Именно в нём (после БВ) были созданы как пространство, так и время.
Потому раньше него _ничего_ не может быть.
SLY_G
Инфляция, о которой говорится в статье — это не то расширение, которое имело место после Большого взрыва.
Итан уже несколько раз описывал общепринятую в научных кругах историю Вселенной.
Сначала была инфляция, с неопределённым периодом и свойствами. Потом случился Большой взрыв и появилось пространство, время и всё остальное. А потом пространство уже расширялось благодаря тёмной энергии.