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.]
Итан Сигель – астрофизик, популяризатор науки, автор блога Starts With A Bang! Написал книги «За пределами галактики» [Beyond The Galaxy], и «Трекнология: наука Звёздного пути» [Treknology].
Комментарии (46)
vanAken
15.10.2017 22:31Я думал он по второму кругу пошёл, а тут уже n+1. geektimes.ru/post/278156
geektimes.ru/post/252436
Sdima1357
16.10.2017 00:01Аааа, я все понял. Мы вместе с Итаном внутри сингулярности вывернутой наизнанку четное число раз. Потому что что-то подобное у него я уже читал, видимо в предыдущий выверт
Jeyko
16.10.2017 02:20Ничего не понял, оставлю на потом. Все равно, термины взрыв и расширение подразумевают некоторые вектора. Так что, ещё раз прокурю тему и может тогда появятся правильные вопросы.
ns3230
16.10.2017 07:27Вектор — это время. Представьте бесконечно малую сферу, наполненную газом и находящуюся под бесконечно высоким давлением, на поверхности которой очень плотно размещены элементы вселенной. Если давление начнет снижаться (большой взрыв), сфера начнет расширение, элементы начнут отдаляться в пространстве, расстояние между ними будет увеличиваться (как на видео). Подобным образом расширялась вселенная. Но только сфера — это тело из мира с 3+1 измерениями (X, Y, Z + время), в то время как модель расширяющейся вселенной имеет 1+1 измерение (расширение + время). А потому центр вселенной находится не "где", а "когда" (в момент большого взрыва, то есть, около 13,8 млрд лет назад)
Andy_Big
16.10.2017 09:38Представьте бесконечно малую сферу, наполненную газом и находящуюся под бесконечно высоким давлением, на поверхности которой очень плотно размещены элементы вселенной. Если давление начнет снижаться (большой взрыв), сфера начнет расширение
Если Вы пытались объяснить почему у вселенной нет центра, то попытка не слишком удачна :) Именно так БЗ и представляется и именно поэтому возникает резонное чувство, что должен быть центр (ведь сфера же, как это — сфера не имеет центра?) :)
nathanael
16.10.2017 10:10Есть теории по которым вселенная замкнута сама на себя (если двигаться в одном направлении можно вернуться в исходную точку), поэтому говорить о форме тут как минимум сложно, особенно учитывая искривляемость пространства.
Andy_Big
16.10.2017 10:27Да я и не спорю. В моем понимании вселенная (общая, вся) вообще бесконечна, в этом случае о форме тоже бессмысленно рассуждать.
Welran
16.10.2017 13:05Если Вселенная конечна и представляет собой четырехмерную сферу, то у неё есть центр. Только он находится не во Вселенной.
DoNotPanic
17.10.2017 18:01Физически существовать он вроде как не обязан вовсе.
Говорят про Вселенную, как трёхмерную, а не четырёхмерную сферу (в соседнем комментарии уже сказали). Это свойство метрики такой Вселенной, но оно ничего не говорит о том, что «находится снаружи».
А вот в модели открытой Вселенной получается, что внутри нашей Вселенной всё же можно найти точку, примерно равноудалённую от всех краёв (которыми служат границы вещества, разлетающегося в разные стороны, того вещества, что получилось в результате Большого Взрыва).Welran
18.10.2017 13:09Очевидно что вселенная не трехмерная сфера. Вы же не двухмерный, я надеюсь. И нет никакой сферы разлетающегося вещества из центра Большого Взрыва. Вы вообще пытались понять что говорит теория большого взрыва? Материя равномерно заполняет ВСЮ вселенную (даже если она бесконечна).
DoNotPanic
18.10.2017 14:02Очевидно что вселенная не трехмерная сфера. Вы же не двухмерный, я надеюсь.
Ну, если совсем корректно, то это называется трёхмерная гиперсфера. Я понимаю, что Вы имеете в виду, но терминология именно такая. Поверхность 4D-шара = 3D сфера.
И нет никакой сферы разлетающегося вещества из центра Большого Взрыва. Вы вообще пытались понять что говорит теория большого взрыва? Материя равномерно заполняет ВСЮ Вселенною (даже если она бесконечна).
Смотрите. Есть две основные модели Вселенной, следующие из ОТО. Первая (наиболее красивая, распространённая, но всё же не доказанная) — модель замкнутой Вселенной. Это как раз 3-сфера. Но из модели Фридмана не обязательно следует именно она. В зависимости от параметров, Вселенная может получиться не только закрытой, но и открытой — бесконечно расширяющейся. И тут… Ну ладно, может, у меня неправильно работает воображение и я что-то неверно потому воспринял, но выходит, что тогда у вещества Вселенной есть краевые точки. Которых мы, конечно, не можем наблюдать, так как они далеко за космологическим горизонтом.
Итан, конечно, топит за модель закрытой Вселенной и я его точку зрения разделяю. Но, чтобы не ошибиться в вопросе, надо учесть все возможности.
Tyusha
16.10.2017 13:07Для сферы (2D-объект) можно ввести понятие центра только вложив её в пространство большей размерности, например в 3D и то не во всякое. А до тех пор сфера — это просто топология.
Наша вселенная (если она замкнута) есть 3D-сфера в пространственном сечении (не путать с шаром!). Её центр в любом случае находится в другом высшем измерении.
Насколько мы представляем никакого объемлющего пространства вложения большей размерности нет, поэтому наша «сфера» может обойтесь без центра.Andy_Big
16.10.2017 14:32Сфера — 2D-объект? Это какое-то новое направление в геометрии? :)
unclegluk
16.10.2017 21:25Да, 2D. Никакого нового направления. Сфера является поверхностью шара и имеет два измерения, люди их называют широтой и долготой.
Cast_iron
16.10.2017 22:24Но в Эвклидовой геометрии сфера — простраственный объект. А вот её развертка — да, плоский.
unclegluk
16.10.2017 22:58Ну и что? Она в любой геометрии пространственный объект. А каким образом разглядывать ее развертку, натянутой на глобус или на куб — совершенно неважно. Любую точку на сфере можно описать двумя координатами.
Al_Azif
19.10.2017 12:31Вот только речь не о топологии, а о размерности. Сфера — трёхмерный обьект.
А то вы сейчас договоритесь до того что круг — одномерный обьект.
YMA
16.10.2017 13:56… представьте себе 5-мерную сферу (4 пространственных измерения + время)…… нет, так сложно. :)
… представьте себе, что наша вселенная плоская (2-мерная + время) — мы сидим на поверхности воздушного шарика, который надувается со временем, от нас во все стороны удаляются остальные «плоские жители», но единого центра, откуда все началось — нет. У каждого плоского жителя будет ощущение, что он находится в центре расширения (третье измерение нам неведомо, поэтому ощутить, что шарик раздувается в нем от исходной точки, мы не можем в принципе).
Так корректно?Andy_Big
16.10.2017 14:35Представить себе 4-мерную сферу? Да легко, каждая домохозяйка сможет :)))
мы сидим на поверхности воздушного шарика, который надувается со временем, от нас во все стороны удаляются остальные «плоские жители», но единого центра, откуда все началось — нет.
Ну то есть по этой аналогии и получается, что вселенная бесконечна и замкнута сама на себя. Да, так слегка более наглядно :)
FirExpl
16.10.2017 07:30Ну так фишка в том, что «Большой взрыв» — это никакой вовсе не взрыв. Взрывом его назвали для того, чтобы у простых смертных была простая аналогия, но учёных как обычно
изнасиловалинеправильно поняли.
Я всегда себе представлял это расширение как мастштабирование картинки на экране, в пикселях расстояние между объектами остаётся неизменным, а в сантиметрах оно неуклонно растёт, причём с одинаковой скоростью для всех точек картинки. Было бы интересно услышать от людей в теме, на сколько такая аналогия корректна.
nathanael
16.10.2017 10:07Там был не взрыв, а вставка нового пространства между всеми точками имевшегося тогда пространства, что также происходит и сейчас. И это на самом деле невероятная загадка вселенной.
capslocky
16.10.2017 09:35Одно из возможных объяснений. Представьте, что у нас всего 2, а не 3 видимых пространственных измерений. И эти 2 измерения это сфера, а не плоскость. Тогда любая точка пространства эквивалентна другой, и все окружающее будет отдаляться от нас при расширении сферы. То есть центр есть, но он в скрытом измерении.
Andy_Big
16.10.2017 09:42Представить 2 измерение не сложно, но опять же — в привычном виде. Для понимания эта аналогия ничего не дает, увы, потому что представляется круг (сфера в 2 измерениях), у которого центр есть :)
Welran
16.10.2017 13:39У этой аналогии есть небольшая проблемка. Если Вселенная бесконечна, то придется представлять себе не сферу, а бесконечную плоскость, которая взорвалась и превратилась в бесконечную плоскость о_О, крайне контринтуитивно.
kaichou
16.10.2017 10:00Это.
Конкретный вопрос, конкретный ответ.
Есть ли у вселенной центр?
Да/нет?kryvichh
16.10.2017 11:09Если со временем реликтовое излучение в одной части неба начнёт угасать быстрее, чем в другой, то можно предположить что есть край Вселенной, есть центр, и мы находимся ближе к краю с той стороны, где гаснет реликтовое излучение.
iperov
16.10.2017 12:35Может вселенная зациклена сама на себя, и супер далеко мы видим сами себя в прошлом?
Andy_Big
16.10.2017 14:37В комментариях к одной из статей писали, что наблюдение себя в прошлом нарушает причинно-следственный закон :)
ankh1989
17.10.2017 03:40Не закон, а лишь эмпирическое наблюдение. Есть ведь, пока только в теории, такие штуки как closed timelike curve (CTC).
Sdima1357
17.10.2017 13:23«наблюдение себя в прошлом нарушает причинно-следственный закон»
Посмотрел в зеркало — увидел себя в прошлом — парадокса не заметил :(
psih29
18.10.2017 18:11насколько представляю, вселенную уже измерили с максимально доступной нам на данный момент точностью и решили что она плоская. в смысле не шар и не седло. ну и как следствие свой затылок далеко-далеко впереди мы не увидим. но зато и не схлопнемся обратно:) правда можно предположить что вселенная искривлена меньше чем мы можем пока измерить, и тогда остается вероятность что затылок мы таки увидим, просто ну о-о-очень далеко:)
Abstraction
18.10.2017 18:11Тогда в разных частях неба мы бы видели звёзды (пульсары, квазары) с одинаковыми характеристиками, аналогично гравитационному линзированию; этого не наблюдается.
apiksDen
16.10.2017 15:29«У неё повсюду схожие свойства, включая плотность»
а ниже
«мы уверены только в том, что она расширяется, у неё уменьшается плотность»
rafuck
16.10.2017 15:50… повсюду одинаковым образом
apiksDen
16.10.2017 18:00Да, понял. Но не очень понятно, откуда берется новое пространство. Т.е. почему звезды все же удаляются (точнее почему свет от них до нас начинает идти дольше), ок, возьмем аналогию с шаром, толщина поверхности шара стала тоньше. Значит ли это что расширение прекратится, значит ли это что «энергия пустого пространства» уменьшается?
stanislavkulikov
16.10.2017 20:13Намного интереснее ведь другое: если вселенная конечного размера и определённой формы, то что находится за её пределами?
Хотя вероятнее всего она бесконечна путём зацикливания саму на себя.capslocky
17.10.2017 18:36Я считаю, что все существующее пространство имеет конечный объем, то есть оно не более n кубических метров. И какого-то предела, границы тем не менее нет. Аналогия: поверхность земли раньше тоже казалась бесконечной, но сейчас уже все знают, что она не более m квадратных метров, хотя и без границ. Вообще, как математик по образованию считаю, что понятие «бесконечность» совершенно абстрактно, то есть физически не может существовать.
exomen
18.10.2017 18:11Вселенная — это чашка спагетти, созданная макаронным монстром. По крайней мере, под описание подойдет любой более-менее логичный абстрактный паттерн. Умнее или тупее он звучит — его невозможно доказать или опровергнуть в полной мере. Из программистской подкорки — вселенная — это инстанс объекта с имплементированым интерфейсом физических законов, в которой элементарные частицы — это данные, текущие по логике функций и принимающие формы различных элементов, систем, организмов, мыслей. Неограниченность возможных комбинаций применения законов к элементам — основа само-обучающейся нейросети, где наиболее успешные комбинации логических цепочек эволюционировали в элементы/мыслящие/живущие формы, космические системы, и вообще в любые стабильные системы, а может и что еще покруче, где все происходит в рамках физических законов, и где лишние данные могут стираться, например, черными дырами. И даже если это выглядит как бред, в любом случае, занятно что в основе вселенной неизменно остаются пространство, время, элементарные частицы, и законы/функции. Главное чтобы нас в один момент не отключили от розетки.
Andy_Big
Хотел написать, что по данным вики, на которую идет ссылка, 200 метров — это диаметр шара, а следовательно верхняя точка достигла высоты 120-130 метров. Но посмотрев англоязычную версию статьи понял, что русскоязычная вики врет и 200 метров — это действительно высота верхней точки полусферы :)