Великая загадка вселенной i
Величайшая загадка Вселенной: из чего состоит пространство-время?
Илья Хель 10.11.2018, обновлено 03.12.2019
«Из чего сделано пространство-время?», задается вопросом физик Арон Уолл из Стэнфордского института теоретической физики. В течение последних нет физики по-разному пытаются осмыслить загадку пространства-времени, рассматривая его не просто как пустой фон, на котором разворачивается история Вселенной, а скорее как поток квантовой информации, перетекающей из одной точки в другую. Уолл и его коллеги все больше убеждаются, что такое представление пространства-времени может быть ключом к разработке теории, которая сможет объяснить гравитацию с использованием принципов квантовой механики. Об этом физики мечтают еще со времен Альберта Эйнштейна.
Пространство и время — это две, наверное, самые неуловимые вещи в мире.
Петр Зенчиковский из Института ядерной физики Польской академии наук задается таким же вопросом, что и Уолл. Является ли пространство-время абсолютной, неизменной, вечно и всегда присутствующей ареной, на которой разворачиваются события? Или, возможно, это динамическое создание, возникающее как бы на определенном масштабе расстояний, времени или энергии? Упоминание абсолюта не приветствуется в современной физике. Считается, что пространство-время эмерджентно, то есть возникает откуда-то. Непонятно только, откуда.
Что такое пространство-время?
Большинство физиков считает, что структура пространства-времени формируется непонятным образом в пределах масштабов Планка, то есть на масштабах, близких к одной триллионной от триллионной доли метра. Однако есть некоторые убеждения, которые ставят под вопрос однозначность такого толкования. Существует немало аргументов в пользу того факта, что возникновение пространства-времени может происходить в результате процессов, которые намного ближе к нашей реальности: на уровне кварков и их конгломератов.
«Математика — это одно, отношение с реальным миром — другое», говорит Зенчиковский. «Например, величина массы Планка кажется подозрительной. Можно было бы ожидать, что у нее будет значение, более характерное для мира квантов. Между тем, оно соответствует примерно 1/10 массы блохи, которая определенно является классическим объектом».
Большинство физиков склонны предполагать, что пространство-время создается на планковских масштабах, на расстояниях, близких к одной триллионной триллионной доли метра (
10 -35 м). В своей статье в Foundations of Science Зенчиковский систематизирует наблюдения разных авторов касательно формирования пространства-времени и утверждает, что гипотеза о его формировании в масштабах кварков и адронов (или кварковых агрегатов) вполне разумна по ряду причин.
Вопросы о природе пространства и времени озадачивали человечества с древних времен. Может ли время быть отдельным от материи, создающим «контейнер» для движений и событий, которые происходят при участии частиц, как это предполагал Демокрит в 5 веке до н.э.? Или, может быть, все это атрибуты материи и не могут без нее существовать, как предположил Аристотель столетием позже?
Несмотря на то, что прошла уже тысяча лет с тех пор, эти вопросы до сих пор не решены. Более того, оба подхода — несмотря на их очевидное различие — глубоко укоренились в столпах современной физики. В квантовой механике события происходят на жесткой арене с равномерно текущим временем.
Между тем, в общей теории относительности вещество деформирует упругое пространство-время (растягивает и скручивает его), а пространство-время сообщает частицам, как двигаться. Другими словами, в одной из теорий актеры выходят на уже подготовленную сцену, чтобы играть свои роли, а в другой они создают сцену во время представления, что, в свою очередь, влияет и на их поведение.
В 1899 году немецкий физик Макс Планк заметил, что при определенных комбинациях некоторых констант в природе можно получить самые фундаментальные единицы измерения. Всего три постоянных — скорость света c, гравитационная постоянная G и постоянная Планка h — и мы получаем единицы расстояния, времени и массы, равные (соответственно) 1,62 х 10 -35 м, 5,39 х 10 -44 с и 2,18 х 10 -5 г. Исходя из современных убеждений, пространство-время должно рождаться на планковской длине. Но нет никаких существенных аргументов в пользу рациональности этой гипотезы.
Как наши самые сложные эксперименты, так и теоретические описания достигают масштаба кварков на уровне 10 -18 м. Откуда же нам знать, что на пути к планковской длине — на протяжении дюжины последовательных и еще меньших порядков величины — пространство-время обретает свою структуру? Мы даже не знаем, рационально ли понятие пространства-времени на уровне адронов! Разделение не может производиться бесконечно, потому что на определенном этапе вопрос следующей меньшей части просто перестает иметь смысл. Прекрасным примером будет температура. Эта концепция прекрасно служит на макромасштабах, но при последовательных делениях материи мы достигаем масштаба отдельных частиц и понятие температуры теряет смысл.
«В настоящее время мы сперва стремимся построить квантованное дискретное пространство-время и затем «населить» его дискретной материей. Но если пространство-время будет продуктом кварков и адронов, зависимость будет обратной: дискретное свойство материи должно усиливать дискретность пространства-времени», говорит Зенчиковский и добавляет: «Планк опирался на математику. Он хотел создать единицы из мельчайших возможных постоянных. Но математика это одно, а отношение с реальным миром другое. Значение планковской массы кажется подозрительным. Можно было бы ожидать, что у нее будет более подходящая характеристика для мира квантов. Но она соответствует примерно 1/10 массы блохи, которая определенно является классическим объектом».
Смотришь в космос и не понимаешь, где у него конец
Поскольку мы хотим описать физический мир, мы должны опираться на физические, а не на математические аргументы. И поэтому, когда мы используем уравнения Эйнштейна, мы описывает Вселенную в больших масштабах и возникает необходимость вводить дополнительную гравитационную постоянную, известную как космологическая постоянная «лямбда». Если, при построении фундаментальных единиц, расширить наш изначальный набор трех постоянных лямбдой, в случае с массой мы получим не одно, а три фундаментальных значений: 1,39 х 10 -65 г, 2,14 x 10 56 г и 0,35 х 10 -24 г. Первую можно интерпретировать как квант массы, вторую — уровень массы наблюдаемой Вселенной, а третья напоминает массу адронов (например, масса нейтрона равна 1,67 х 10 -24 . Точно так же, принимая во внимание лямбду, появится единица измерения 6,37 х 10 -15 м, очень близкая к размеру адронов.
«Игры с постоянными могут быть рискованными, потому что многое зависит от того, какие константы мы выбираем. К примеру, если бы пространство-время действительно являлось продуктом кварков и адронов, то его свойства, включая скорость света, также должны быть эмерджентными. А это означало бы, что скорость света не может быть среди основных констант», отмечает Зенчиковский.
Другим фактором в пользу образования пространства-времени в масштабе кварков и адронов являются свойства самих элементарных частиц. Стандартная модель, например, не объясняет, почему существует три поколения частиц, откуда берутся их массы или почему существуют так называемые внутренние квантовые числа, которые включают изоспин, гиперзаряд и цвет. В картине, представленной профессором Зенчиковским, эти значения могут быть связаны с определенным шестимерным пространством, созданным положением частиц и их импульсами. Построенное таким образом пространство одинаково уважает положение частиц (материя) и их движения (процессы). Выясняется, что свойства масс или внутренние квантовые числа могут быть следствием алгебраических свойств шестимерного пространства. Более того, эти свойства также объясняют невозможность наблюдать свободные кварки.
«Возникновение пространства-времени может быть связано с изменениями в организации материи, происходящей в масштабе кварков и адронов, в более первичном шестимерном фазовом пространстве. Однако не совсем понятно, что дальше делать с этой картиной. Каждый последующий шаг потребует выхода за пределы того, что мы знаем. И мы даже не знаем правил игры, по которым Природа играет с нами, нам все равно приходится их угадывать. Однако представляется разумным, что все конструкции начинаются с материи, потому что она является физически и экспериментально доступной. В этом подходе пространство-время будет лишь нашей идеализацией отношений между элементами материи», суммирует профессор Зенчиковский.
Источник
Пошли вразнос
Космологи столкнулись с серьезной научной проблемой, которая указывает на несовершенство знаний человека о Вселенной. Сложность касается такой тривиальной, казалось бы, вещи, как скорость расширения Вселенной. Дело в том, что разные методы указывают на разное значение, — и странное расхождение пока никто не может объяснить. «Лента.ру» рассказывает об одной из самых таинственных загадок современной космологии.
Космическая тайна
В настоящее время стандартная космологическая модель «Лямбда-CDM» (ΛCDM) наиболее точно описывает эволюцию и строение Вселенной. Согласно этой модели, Вселенная имеет ненулевую положительную космологическую постоянную (лямбда-член), вызывающую ускоренное расширение. Кроме того, ΛCDM объясняет наблюдаемую структуру реликтового излучения (космического микроволнового фона), распределение галактик во Вселенной, обилие водорода и других легких атомов, а также саму скорость расширения вакуума. Однако серьезное расхождение скорости расширения может свидетельствовать о необходимости радикального изменения модели.
Физик-теоретик Вивиан Пулен (Vivian Poulin) из Национального центра научных исследований Франции и Лаборатории Вселенной и элементарных частиц в Монпелье утверждает, что это означает следующее: в молодой Вселенной произошло что-то важное, о чем мы пока не знаем. Возможно, это было явление, связанное с неизвестным типом темной энергии или новой разновидностью субатомных частиц. Если модель будет учитывать его, то несоответствие исчезнет.
На пороге кризиса
Одним из способов определения скорости расширения Вселенной является изучение микроволнового фона — реликтового излучения, которое возникло спустя 380 тысяч лет после Большого взрыва. С помощью ΛCDM можно вывести постоянную Хаббла, измерив крупные флуктуации реликтового излучения. Она оказалась равна 67,4 километра в секунду на каждый мегапарсек, или примерно три миллиона световых лет (с такой скоростью расходятся друг от друга объекты, удаленные на соответствующее расстояние). При этом погрешность составляет всего лишь 0,5 километра в секунду на мегапарсек.
Если мы получим примерно то же самое значение с помощью другого метода, то это подтвердит справедливость стандартной космологической модели. Ученые измеряли видимую яркость стандартных свечей — объектов, светимость которых всегда известна. Такими объектами являются, например, сверхновые типа Ia — белые карлики, которые больше не могут поглощать вещество от крупных звезд-компаньонов и взрываются. По видимой яркости стандартных свечей можно определить расстояние до них. Параллельно можно измерить красное смещение сверхновых, то есть сдвиг длин волн света в красную область спектра. Чем больше красное смещение, тем больше скорость удаления объекта от наблюдателя.
Таким образом становится возможно определить скорость расширения Вселенной, которая в данном случае оказывается равной 74 километра в секунду на каждый мегапарсек. Это не соответствует значениям, полученным из ΛCDM. При этом маловероятно, что погрешность в измерении способна объяснить расхождение.
По словам Дэвида Гросса (David Gross) из Института теоретической физики имени Кавли при Калифорнийском университете в Санта-Барбаре, в физике частиц такое расхождение называлось бы не проблемой, а кризисом. Однако ряд ученых не согласился с подобной оценкой. Ситуацию осложнил другой метод, который также основан на изучении ранней Вселенной, а именно барионных акустических осцилляций — колебаний в плотности видимого вещества, заполняющего раннюю Вселенную. Эти колебания вызваны акустическими волнами плазмы, и они всегда имеют известные размеры, что делает их похожими на стандартные свечи. В сочетании с другими измерениями они дают постоянную Хаббла, согласующуюся с ΛCDM.
Новая модель
Есть вероятность, что ученые совершили ошибку при использовании сверхновых типа Ia. Чтобы определить расстояние до отдаленного объекта, необходимо построить лестницу расстояний. Первой ступенью этой лестницы являются цефеиды — переменные звезды с точной зависимостью период-светимость. С помощью цефеид можно определить расстояние до ближайших сверхновых типа Ia. В одном из исследований вместо цефеид использовали красные гиганты, которые на определенном этапе жизни достигают максимальной яркости — у всех красных гигантов она одинакова. В итоге постоянная Хаббла оказалась равной 69,8 километра в секунду на мегапарсек. Кризиса нет, заявляет Венди Фридман (Wendy Freedman) из Чикагского университета, одна из авторов этой работы.
Но и это утверждение было поставлено под сомнение. Сотрудники коллаборации H0LiCOW измерили постоянную Хаббла, используя гравитационное линзирование — эффект, который возникает, когда массивное тело искривляет лучи, идущие от далекого объекта позади него. Последние могут быть квазарами — ядрами активных галактик, питаемых сверхмассивной черной дырой. Из-за гравитационных линз могут возникать сразу несколько изображений одного квазара. Измеряя мерцание этих изображений, ученые вывели уточненное значение постоянной Хаббла в 73,3 километра в секунду на мегапарсек. При этом ученые до последнего не знали возможный результат, что исключает возможность подтасовки.
Результат измерения постоянной Хаббла по природным мазерам, образующимся при вращении газа вокруг черной дыры, оказался равен 74 километра в секунду на мегапарсек. Другие методы дали 76,5 и 73,6 километра в секунду на мегапарсек. Проблемы возникают и в измерении распределения вещества во Вселенной, поскольку гравитационное линзирование дает другое значение по сравнению с измерениями микроволнового фона.
Если окажется, что несоответствие не вызвано ошибками в измерениях, то потребуется новая теория, которая объяснит все имеющиеся на настоящий момент данные. Одно из возможных решений заключается в изменении количества темной энергии, вызывающей ускоренное расширение Вселенной. Хотя большинство ученых выступает за то, что удастся обойтись без обновления физики, проблема пока остается нерешенной.
Источник
Великая загадка Вселенной
Около четырех десятилетий назад астрономы узнали, что наша галактика, Млечный Путь, движется в космосе гораздо быстрее, чем предполагалось.
Скорость Млечного Пути 2,2 миллиона километров в час. Это в 2500 раз быстрее, чем движется авиалайнер. В 55 раз больше, чем вторая космическая скорость.
Вот только откуда взялось такое движение — загадка.
Учёные считают, что объяснение одно — гравитация .
Нашу галактику и 100.000 соседних в настоящее время постепенно засасывается в мистическую область за пределами пыли и газа. Область, которую не осветил ни один телескопический глаз. Эта гравитационная аномалия, этот скрытый зверь, топающий в темноте, был назван Великим центром притяжения.
Эта область пространства находится на расстоянии около 220 миллионов световых лет . Насколько велика и сильна эта аномалия?
Считается, что масса Великого центра притяжения равна целому квадриллиону Солнц. Учитывая то, что из 300 миллиардов звезд Млечного Пути большинство намного меньше нашего Солнца.
Почему нельзя увидеть Великий центр притяжения?
Часть Вселенной недоступна нашему глазу. Из-за собственной галактики. Млечный Путь в ночном небе — прекрасное зрелище. Но в то же время препятствием для учёных, пытающихся расшифровать то, что лежит за ним.
Так вышло, что именно в области, скрытой от нас и находится Великий центр притяжения . Эта область полна звёзд, пыли и газов. Её называют Зоной избегания .
Единственный способ хоть что-то увидеть — использовать рентгеновские лучи и инфракрасный свет. Но даже эти методы не дают самых четких изображений.
Источник
Великая загадка вселенной i
Захватывающие тайны Вселенной, которые нам еще предстоит разгадать
Мы все знаем, что Вселенная огромна. Настолько огромна, что, если бы мы отвлеклись от наших мирских проблем и подумали о ее масштабах, мы, вероятно, сошли бы с ума. Вот почему большинство из нас не беспокоится ни о чем, кроме своего непосредственного окружения, поскольку наш мозг просто не приспособлен для того, чтобы размышлять о таких вещах. Если бы мы думали об этом, как это делают ученые, астрономы и грызущие гранит науки студенты, мы бы поняли, что Вселенная полна страшных вещей, о которых даже в сказках писать страшно. Если бы мы рискнули проникнуть в ее самые темные уголки, мы бы обнаружили, что в них скрыто много захватывающих тайн, которые нам еще предстоит разгадать.
10. Судный день из-за бозона Хиггса
Человечество придумало множество сценариев конца света. Многие культуры считают, что это событие станет очень драматичным, и было бы здорово его увидеть ради некоторых классных визуальных эффектов. Однако наиболее опасные и правдоподобные сценарии конца света исходят от самих ученых, и одним из них является тот, в основе которого лежит бозон Хиггса. Многие из великих умов, включая Стивена Хокинга, верят, что это может произойти или уже происходит. Все начнется с изменения массы частицы Бога. А следовательно, будет меняться масса и всего остального в мире. Соответственно, это повлечет за собой изменение всех известных ныне физических законов и приведет к невозможности существования жизни в том виде, как она есть. И когда изменения накопятся в огромном количестве, последует второй Большой взрыв. Первый когда-то привел к образованию нашей Вселенной. Второй разрушит ее.
Одни ученые думают, что изменения уже начались, другие же говорят, что это грозит человечеству в очень далеком будущем, и мы можем уйти далеко в своем развитии или исчезнуть вовсе, прежде чем элементарная частица окажет свое разрушающее действие.
9. Галактический каннибализм
Галактический каннибализм – это последний тип каннибализма, о котором мы хотим слышать, хотя и любые другие виды довольно неприятны. Но одна только мысль о том, что есть более крупные галактики, поглощающие другие, более мелкие, и вероятность того, что это может случиться с нами, весьма жутковата. Конечно, сильно беспокоиться не стоит, так как в ближайшее время этого не произойдет. Однако многие другие галактики в настоящее время съедаются более крупной только потому, что в этот день не было ничего лучше.
И происходит это не так уж далеко от нас. Туманность Андромеды – галактика, о которой слышал, наверное, каждый – фактически поглотила галактику-близнеца Млечного Пути около двух миллиардов лет назад. Ожидается, что это произойдет и с Млечным Путем примерно через 4,5 миллиарда лет, но к тому времени люди, надеемся, научатся путешествовать между галактиками. Ну, или уже исчезнут с лица Земли. Однако тот, кто все же застанет этот момент, увидит адское световое шоу.
8. Сверхмассивная черная дыра
Если бы мы знали обо всех невероятных вещах, происходящих во Вселенной, наша жизнь могла бы показаться ничтожной. Хотя некоторые явления и впрямь демонстрируют, что все мы лишь букашки. Одно из них – сверхмассивная черная дыра, выброшенная из своей галактики.
Ученые подсчитали, что потребовалось бы столько же энергии, сколько в 100 миллионах сверхновых, чтобы выбросить ее в космос. А ведь она вовсе не обычная, это самая большая движущаяся черная дыра, которую когда-либо регистрировали ученые. Энергия эта образовалась от слияния двух черных дыр в центре галактики.
7. Прожорливые черные дыры
Из всех объектов, которые потенциально могут стать опасными, черная дыра кажется худшим. Черные дыры, как мы все знаем, являются сверхплотными частями пространства с невообразимо высокими гравитационными полями, настолько большими, что даже свет не может преодолеть их. Они поглощают все в своем гравитационном поле, поэтому стоит держаться подальше от них.
А когда она начинает двигаться, делать это становится проблематично. Как и все остальное во Вселенной, черные дыры могут найти свои собственные траектории движения. В некоторых случаях они начинают двигаться с огромной скоростью, съедая все на своем пути.
И это отнюдь не гипотетическое явление. Черная дыра размером с Юпитер в настоящее время несется через Млечный путь. Ранее предполагалось, что она неподвижна. Сейчас же ученые пришли к выводу, что в действительности это не так.
6. Звезды-зомби
Все, что живо, должно умереть в какой-то момент. Это касается всего во Вселенной. Смерть звезд – как вы, наверное, помните из уроков астрономии – это одно из самых интересных явлений в известной Вселенной. Каждая звезда, которую мы видим на небе, уже мертва, а свет ее еще не достиг нас. Либо же она умрет в какой-то момент в будущем. Наше Солнце – не исключение. Это естественный порядок вещей. Не считая случаев, когда они решают этого не делать.
В редких случаях звезды могут погибнуть и вернуться к жизни, как будто ничего не произошло, что сбивает с толку ученых. Они недавно обнаружили звёзд-зомби, которые должны были умереть на стадии сверхновой, но каким-то образом выжили, и теперь они несутся через космос с обновленной жаждой жизни и приключений. Природа такого явления непонятна, поэтому надеемся, что они будут держаться подальше от нас.
5. Галактика без темной материи
Если вы когда-то увлекались астрономией, то точно знаете, что видимая Вселенная – это лишь крошечная доля чего-то более великого.
Большая часть вещества в галактике не видна, она и называется темной материей. Можно было бы придумать и более научное название, но, поскольку мы абсолютно ничего о ней не знаем, то наиболее точно описать ее можно именно как «темная» материя. Мы знаем, что она пронизывает все вокруг, и из нее состоят огромные пространства Вселенной.
Однако еще более загадочной является галактика без этого вещества. Ранее предполагалось, что чем бы ни была темная материя, Вселенная нуждается в ней, чтобы удерживать объекты вместе. Описываемая же галактика, наряду с другими подобными ей, доказывает, что это совсем необязательно, что порождает еще больше загадок.
4. Тройное столкновение галактик
Независимо от того, насколько скучна наша жизнь, мы можем утешаться тем, что во Вселенной постоянно происходит что-то интересное. От масштабных световых шоу до умирающих звезд. Это, конечно, далеко не скучное место. Некоторые из этих событий, тем не менее, настолько ошеломительно огромны, что лучше уж скучать здесь, на Земле, чем оказаться где-то рядом с эпицентром интересностей.
Одно из них – это редкое столкновение трех галактик, подобное тому, которое миру открылось в 2007 году. Хотя две галактики сталкиваются друг с другом чаще, чем мы думаем, редко можно увидеть, как это делают три из них. То, что на фотографиях выглядит просто сгустком света – это три массивных скопления звезд, сливающихся друг с другом, и образующих звезды с высокой скоростью (около 200 солнечных масс в год в центре).
3. Тайна самой большой из когда-либо найденных черных дыр
Во Вселенной довольно много вещей, которые мы не понимаем, и это здорово, потому что мы не можем знать все. Однако реально обидно, когда мы думаем, что что-то выяснили, а потом поняли, что вообще ничего не знаем. Так и с черными дырами. Особенно с одной, самой большой черной дырой времен ранней Вселенной.
Она питает энергией огромный квазар, который ученые обнаружили совсем недавно. Известный как SDSS J0100 + 2802, он столь же яркий, как 420 триллионов Солнц, и, безусловно, самый массивный квазар, который когда-либо обнаруживали ученые. Мы не знаем, как она образовалась, потому что ничто на ранней стадии развития Вселенной не должно было стать таким большим. И это делает ее самой загадочной черной дырой из всех, которые мы знаем.
2. Самое холодное место во Вселенной
Вселенная – довольно холодное место, поскольку тепла звезд достаточно, чтобы затронуть только крошечную ее часть. Мы знаем, что холодно, но не знаем насколько. По мнению некоторых ученых, самым холодным местом в известной Вселенной является туманность Бумеранг (туманность, представляющая собой гигантскую массу газа и пыли в космосе).
Там настолько холодно – в среднем -457.87F (-272 градуса по Цельсию) – что ученые пытались понять, что же именно произошло с этим местом некоторое время назад. И согласно недавнему исследованию, есть неплохое объяснение. По-видимому, туманность образовалась после того, как одна звезда врезалась в другую большую звезду, проходящую через последние стадии своей жизни, в результате чего большая часть ее вещества была выброшена в виде холодного взрыва. Несмотря на то что мы сейчас далеки от опасности, это то место, которое не стоит исследовать даже тогда, когда человечество научится путешествовать между звездами.
1. Странная материя
Сложно представить, что что-то с таким невзрачным названием, как «странная материя», может быть ужасающим. Похоже, что ученые придумали временное название, когда не могли определить, что собой представляет это вещество, хотели позже переименовать, но забыли.
По сути, странная материя, которая может содержать много типов частиц, не похожа на то, что мы видели раньше. Как мы знаем, обычная материя состоит из атомов с ядром, которое содержит протоны и нейтроны. Они, в свою очередь, состоят из кварков, которые в обычном состоянии сгруппированы и придают всему, что нас окружает, уникальные свойства. Однако в экстремальной ситуации кварки движутся свободно, и, казалось бы, нет границ или правил относительно того, что они должны делать. Это совершенно другой тип материи, и он может изменить свойства всего, с чем соприкасается, превратить в себя же. Да, крошечный кусочек странной материи где-нибудь во Вселенной полностью изменяет – по сути, разрушает – саму природу материи вокруг него.
К счастью, не было доказано, что странное вещество существует где-либо во Вселенной, поэтому пока оно есть только на бумаге. Но, к сожалению, совсем недавно ученые нашли нечто очень похожее на то, что, по их мнению, могло бы быть странной материей.
©
Источник