Club Aurora

Твоят прозорец към космоса.

Колко далеч е краят на Вселената?
“Вселената е голяма. Наистина голяма. Просто няма да повярвате колко изключително невероятно невъобразимо голяма е тя“ Из „Пътеводител на галактическия стопаджия”, Дъглас Адамс Ако... Колко далеч е краят на Вселената?

Вселената е голяма. Наистина голяма. Просто няма да повярвате колко изключително невероятно невъобразимо голяма е тя“

Из „Пътеводител на галактическия стопаджия”, Дъглас Адамс

Ако все още не сте спрели  да поглеждате нагоре, към обсипаното със звезди нощно небе, няма начин да не сте се питали колко ли далеч са всичките тия мъждукащи светлини, които виждате. Всъщност този въпрос няма отговор, който да ни удовлетвори и който да разберем. Истината е, че светлините действително са толкова далеч, че ние изобщо не сме способни да си представим такива разстояния. Числата от книгите, описващи космоса, изглеждат големи, но ние чисто и просто не осъзнаваме колко невъобразимо големи са те. Така например, ако имаше пътека до Луната – най-близкото космическо тяло до Земята – и ви хрумнеше да отидете по тази пътeка до спътника ни пеша щяха да ви трябват около 7 години непрекъснато ходене, за да достигнете целта си. А към галактиката Андромеда – най-далечното нещо, което можете да видите с просто око – вашето пътешествие със скоростта на пешеходец щеше да ви отнеме около 457 000 000 000 000 години. Или 33 116 пъти повече време, отколоко е изминало от Големия взрив досега. Число толкова абсурдно голямо, че е невъзможно да бъде обхванато мислено.

Галактиката Андромеда е най-близката спирална галактика до нашата собствена галактика – Млечния път. Тя е една от 170-те милиарда галактики, които наблюдаваме днес във Вселената. Изображение: NASA

Светлинната година

 

Това е причината, когато се говори за разстояния от космически мащаби хората да измислят някакви абстрактни мерни единици, които по принцип трудно ни говорят нещо, тъй като по никакъв начин не са обвързани с ежедневния ни опит. Най-известната такава единица е светлинната година (ly – от light year). Всъщност философията зад понятието „светлинна година”  е по-различна от тази на останалите мерни единици за разстояние, които използваме – производните на метъра, милята, футовете и пр. Светлинната година се основава на факта, че скоростта на светлината във вакуум, както и на всички електромагнитни сигнали, е най-строга природна константа и е равна на точно 299 792 458 m/s. Така като използваме фиксиран интервал от време (една година), ние можем да пресметнем какво разстояние ще измине светлината за това време – в случая 9 460 528 400 000 km. Не, че не можем да използваме и скоростта на пешеходеца за същата цел. Просто светлината е около около 180 млн. пъти по-бърза от ходенето пеша, получените числа са по-малки с няколко порядъка и отнемат по-малко място за писане. Ако на вас ви трябваха 457 000 000 000 000 години, за да отидете до Андромеда, на светлината са й нужни „само” 2 540 000 години. При постоянната й скорост на движение това е и разстоянието до галактиката, което можете да прочетете в справочната литература – 2,54 млн. ly. А в километри това разстояние изглежда по следния стряскащ начин – 24 030 260 000 000 000 000 km.

Сега нека се върнем към въпроса, зададен в заглавието на този материал – колко далеч е краят на Вселената, най отдалечените й обекти, които можем да видим? Или по-конкретно  – радиусът на наблюдаемата Вселена. Съвременната космология – науката за произхода и структурата на Вселената – постулира, че Вселената е възникнала преди 13,8 млрд. години  в следствие на експлозия, известна като Голям взрив. Това означава, че днес от точката на която се намираме няма как да видим светлина на повече  от 13,8 млрд. години, просто защото светлината на всичко, което е по-далеч, още не е дошла до очите ни. Т.е. за нас радиусът на наблюдаемата Вселена би трябвало да е 13,8 млрд. ly. Логично е, нали?

Логично е, но не е вярно. Проблемът е, че светлинната година не е съвсем коректна измервателна единица за разстояние. Не е коректна, защото не отчита, че пространството между две точки не е константно. То се увеличава всеки миг, при това ускорително.  Така че ако вкараме в сметката и разширението на Вселената за времето, за което тя е съществувала, ще излезе, че най-далечната структура, която виждаме (космическия микровълнов фон),  се намира не на 13,8 млрд. ly, a на около 45,7 млрд. ly от нас. Това е радиусът на всичко, което виждаме, днес.

Ефектът на Доплер

 

Тук ще направим  важно уточнение. В популярната литература и филми, засягащи вселенските въпроси, често  се срещат твърдения от рода на „галактиките се разбягват” или „на тази снимка виждате галактика еди-си-коя, която се отдалечава от нас с еди-си-каква скорост”. Подобни твърдения са дълбоко погрешни, тъй като от тях излиза, че все едно галактиките извършват някакво движение една спрямо друга. Да, те се движат – въртят се, орбитират около гравитационния център на галактическия си куп, но не се „разбягват” една от друга. Правилно и физически коректно е да се каже, че пространството между тях се увеличава. Иначе ще си навлечем парадокси.

 

На това изображение, получено от космическия телескоп Хъбъл, е запечатана светлина от това, което днес се смята за най-далечната известна нам галактика, обозначена като MACS0647-JD. Светлината, която виждаме на снимката, е била излъчена преди 13,3 млрд. години, само 460 млн. години след Големия взрив. Всъщност ние изобщо не би трябвало да я виждаме, тъй като по принцип светлината й би трябвало да е прекалено слаба. Но между нас и галактиката се намира масивен галактически куп, който изкривява пространството около себе си и така то действа като оптическа леща, която концентрира светлината на далечната галактика и я прави да изглежда по-ярка (ефектът е известен като „гравитационна леща”). Изображение: NASA

Ето един такъв. За това колко бързо се „отдалечава” дадена галактика от нас се съди по ефекта на Доплер. Той гласи, че сигнали от обекти, които се отдалечават от нас намаляват честотата си, а ако се приближават – честотата расте. Няма значение дали говорим за източник на звуков или електромагнитен сигнал – ефектът е един и същ. От друга страна регистрираната светлина от звезди и галактики може да се разложи през спектрограф, така че да се види спектралното й разпределение по цветове от син до червен. Учените са установили, че определени химически елементи в състава на източниците предизвикват подтискане на точно определени светлинни честоти, така че в спектъра на източника на светлина ще се наблюдават и тъмни черти. Тези тъмни черти са абсолютно строго дефинирани и трябва да се наблюдават на точно определените честоти. Само че заради ефекта на Доплер чертите се отместват към синия край на спектъра, ако източникът се движи към нас или към червения край – ако се отдалечава. По това отместване учените разбират скоростта, с която източникът се приближава или отдалечава от нас.

Спектър на обект, който не променя разстоянието си до нас, приближава се и се отдалечава.

Оказва се, че галактиките като цяло имат червено отместване на спектъра си и от тук се съди, че Вселената се разширява. При това  колкото по-далеч се намира дадена галактиката, толкова по-бързо се „отдалечава” тя. Най-далечните галактики, които можем да видим, се „отдалечават” със скорости близки до тази на светлината.  Те изглеждат много бледи и червени. И още по-нататък изчезват. Зад последните галактики, които виждаме, също има галактики, но ние не можем да ги наблюдаваме, поради две причини. Първо – не е изминало достатъчно време, за да стигне светлината от такива галактики до нас. И второ – ние изобщо никога няма да ги видим, защото пространството между нас и тези галактики се увеличава по-бързо, отколкото се движи светлината. Това не нарушава законите на физиката, според които нищо не може да се движи по-бързо от светлината. Този постулат се отнася за материалните обекти и носителите на информация, но не и за самото пространство, в което се намират те. Както уточнихме, не галактиките се отдалечават, а пространството между тях се увеличава.

Разширението на Вселената води до интересно следствие. Нормално е да очакваме, че с течение на времето ще можем да наблюдаваме все по-отдалечени обекти от нас, т.е. радиусът на наблюдаемата Вселена ще расте непрекъснато. Заради разширението на пространството й обаче нещата няма да стоят така. Учените, написали тази статия  са изчислили (страница 8), че колкото и време да чакаме, ние никога не ще видим обекти, разположени на повече от 62 млрд. ly от нас. Което е доста близо до настоящия радиус на наблюдаемата Вселена от 45,7 млрд. ly.

Формата на Вселената

 

В случай, че 45,7 млрд. ly не ви се струва идиотски голямо число, може би се питате се колко е голяма цялата Вселена. Не онази част, която можем да наблюдаваме, а цялата Вселена – всичко, което съществува сега. Истината е, че никой не знае и вероятно никога няма да се разбере. Не е изключено и да е безкрайна. Това зависи от формата на Вселената, а понастоящем учените разглеждат няколко възможни варианта в зависимост от плътността й:

  • Вселената е кълбовидна и крайна (положителна кривина)
  • Вселената е хиперболична и безкрайна (отрицателна кривина)
  • Вселената е плоска и безкрайна или крайна (неутрална кривина)

Важна забележка – тук под „крайна Вселена” не се разбира Вселена, която има край, а такава, която има ограничен обем. По-същия начин по който Земята е с крайна повърхност, без да има някакъв край.

Счита се, че формата на Вселената ще определи съдбата й. Ако в нея няма достатъчно маса, за да противодейства на тъмната енергия, която я кара да се разширява, кривината й ще бъде отрицателна и тя ще се разширява до безкрай. Ако масата й е в повече, някога тя ще спре да се разширява и ще колапсира обратно в онова, което е била преди Големия взрив (кривината й в този случай е положителна). Ако има точно толкова маса, че да спре разширението на Вселената (след безкрайно много време), но да не предизвика обратно свиване, се казва, че кривината е неутрална, т.е. Вселената е плоска.

Но какво се има предвид под плоска Вселена? Това, което може да се очаква интуитивно от една плоска Вселена. В нея важат законите на Евклидовата геометрия – онази, която се преподава в училище. Ето пример. Ако излъчим два успоредни лазерни лъча, в плоската Вселена те ще останат успоредни завинаги. В другите два случая те все някога ще се пресекат (кълбовидна Вселена) или ще се раздалечат (хиперболична Вселена), по същия начин по който двама души, които се движат в една и съща посока – север – по успоредни пътища накрая ще се срещнат на северния полюс.

Нагледни примери за трите типа кривина на пространството. Законите на евклидовата геометрия важат само в първия случай. Изображение: http://starchild.gsfc.nasa.gov/

Учените твърдят, че формата на Вселената може да се отгатне, като се анализира структурата на космическия микровълнов фон – ехото от Големия взрив, което наблюдаваме днес. Нееднородностите на температурата му в различните части на небето могат да натежат везните към някой от трите варианта. Това е причината изучаването им да е от първостепенна важност за астрофизиците. В началото на века в орбита бе изведен специален апарат на NASA– WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe), който да изучи тези нееднородности и да даде отговор на въпроса за формата на Вселената. Към 2013 г. този апарат завърши измерването си и вече разполагаме с отговор – Вселената е плоска, при възможност за грешка от едва 0,4 %.

Карта на космическия микровълнов фон въз основа на данните от европейския космически телескоп Planck – “наследникът” на WMAP. С червено са показани по-топлите области, а със синьо – по-студените. Максималната разлика на температура на две точки от фона е 600 микрокелвина. Изображението в пълна резолюция – тук  Изображение: ESA

От  получения отговор обаче не можем да разберем дали Вселената е крайна или безкрайна. При плоската Вселена са възможни и двата варианта. Знаем това на базата на геометрическата аналогия. Представете си една двумерна равнина, която е безкрайна по двете си координатни оси. Вселената би могла да е нещо такова само, че тримерно. Това е и вариантът, който се споделя от повечето учени. Но би могла и да е различна. Нека вземем един отрязък от двумерната равнина – квадратен лист хартия – с крайна дължина и ширина. Нека го омотаем като тръбичка, а после нека съединим краищата на получената тръбичка. Получихме пръстеновидна фигура (тороид, по-математичски казано), чиято повърхност има същите свойства като на равнината (т.е. при нея важат законите на евклидовата геометрия), но за разлика от нея е с крайна повърхност. Вселената също би могла да наподобява тороид (доста труден за представяне, тъй като е получен от „омотаването” на триизмерен куб, не квадрат) и в този случай тя няма да е безкрайна. А има и други „плоски” варианти с крайна повърхност – например известната от геометрията бутилка на Клайн.

Примери за затворени евклидови пространства – тороид и „бутилка на Клайн”.

Интересно следствие при  моделите с крайна форма на Вселената е, че светлината от далечна галактика би могла да достигне до нас по повече от една траектория, така че всъщност от Земята ще виждаме една и съща галактика от различни точки на небето. При това на различните точки ще виждаме галактиката в различен момент от историята й, тъй като светлината по различните траектории е изминала пътя си за различно време. Дори ще видим някъде там на небето и самия праисторически Млечен път като супер далечно петънце. Странно, нали?

Светлината от жълтата галактика на повърхността на тороида може да пристигне по няколко различни пътя до червената галактика. Изображение: http://abyss.uoregon.edu/

Странно… Дали Вселената е безкрайна, тороидална или нещо друго (има и по-щури теории – един френски астрофизик твърди, че пространството може да бъде и изкривен додекаедър) се разбира от начина, по който е разпределен микровълновият фон. Формата трябва да е в съзвучие с дистрибуцията на нееднородностите на фона  в макроскопичен мащаб. Но те, понеже не са ясно изразени, подлежат на различно тълкувано от различните учени. Мнозина се изкушават да измислят какви ли не теоретични модели за геометрията на пространството, които да обяснят картинката. Всички тези модели са възможни до известна степен, но споделят един общ недостатък – в науката обикновено най-простото е вярно, а в случая най-простото засега е плоска безкрайна Вселена.

И накрая  въпрос за напреднали – как така Вселената се разширява, след като е безкрайна?

Още по темата (на английски):

Статия в Wikipedia за големината на Вселената

Статия в Wikipedia за формата на Вселената

Интервю с британския астрофизик Joseph Silk по въпросите за Вселената

Разбираеми лекции по космология

Еmil Petkov

Емил е авиационен инженер, който се опитва да предаде тук своите знания и опит. Намира космоса за вълнуващо място и се интересува как чрез новите технологии ще се приближим до него.

  • Д ПЕТРОВ

    06.февруари.2016 #1 Author

    ВСЕЛЕНАТА НЯКЪДЕ СЕ РАЗШИРЯВА, ДРУГАДЕ СЕ СВИВА, КАТО ВЪЛНИ НА МОРЕ МОЖЕ БИ

    Отговор

    • Вера Евтимова

      30.октомври.2016 #2 Author

      Вселената все още се разширява, като в този процес не се наблюдава свиване. Тя ще се разширява до този момент, докато в зародиша на Космичното яйце все още има ядрен заряд. Когато той привърши, започва обратния процес на свиване на Вселената.

      Външно погледната, Вселената представлява една голяма Сфера, върху която се наблюдават шуплести отвори. Това са така наречените Черни дупки, през които изтича отработената ядрена енергия. Тя от своя страна се фокусира в една определена нулева точка, която ще бъде център на бъдещото Космично яйце, от което ще избухне следващата Паралелна вселена, след като старата изпусне и последния си дъх.

      В същия миг на издъхване ще се взриви Новата вселена, в която ще започне възпроизводство на нови светове, галактики, слънчеви системи, слънца, планети и прочее.

      Прераждането на Вселените се извършва в един затворен космичен цикъл от пространство, в който всяка една Вселена се преражда 12 пъти, като енергията се претворява от една форма в друга. В цялото Творение на Абсолюта съществуват 12 космични капсули, в които се прераждат 12 Вселени, свързани помежду си с каналите на времето.

      Извън Творението се намира Реалната вселена, която се отразява върху огледалните стени на Илюзорното творение. Времето в тази Вселена – майка се измерва в параметрите на сегашното време, докато в производното Творение то има илюзорна стойност и се разграничава в минало, сегашно и бъдеще.

      /информацията е получена по окултен път чрез идеограмите, изписани от Николай Николов, Пловдив и Георги Семерджиев, Велинград. Разчела идеограмите, Вера Евтимова, Велико търново

  • рибар

    11.март.2016 #3 Author

    Глупости самото пространство не се разширява, то няма свойството протяжност както веществото, от това следва простият извод, че или галактиките се разбягват една от друга поради някаква антигравитация т.е тълкувано като тъмна енергия, или червеното отместване се дължи на загуба на енергията на фотона при преминаването му на огромните междугалактични растояния. Айнщайн не е прав, неговите теории са неправилно интерпретирани експериментални факти, неговата теория не предсказва нищо, тя само се нагажда към вече установени факти чрез математически еквилибристики . Съвремената физика е в застой макар че се строят скъпи колайдери те по същество не намират никакви отговори на фундаменталните въпроси във физиката.

    Отговор

  • Румен Андонов

    22.декември.2016 #4 Author

    Не се знае,а иникъде не се коментира в каква среда съществува Вселената.От теорията е ясно,че времето и пространството се създават с разширяването на Вселената.Но,все пак,къде съществува и се разширява тази Вселена.Нали трябва да се намира някъде.А това някъде,според теорията,не съществува.Мисълта ми е има ли някакво извънвселенско простронство,в което да плува Вселената.ако няма,то тогава всичко е безсмислица,сън или електронна игра на боговете.

    Отговор

    • Еmil Petkov

      23.декември.2016 #5 Author

      Въпросът ви е малко подвеждащ, тъй като самото понятие „Вселена“ означава всичко съществуващо. От логическа гледна точка извън нея не може да има нищо и въобще в случая това „извън“ е безсмислено, точно както е безсмислено и „преди“ Вселената.

Вашият имейл адрес няма да бъде публикуван. Задължителните полета са отбелязани с *

Page generated in 194,556 seconds. Stats plugin by www.blog.ca