Visata: kas tai? Apibrėžimas, sandara ir Didysis sprogimas

Žodis "Visata" kilęs iš senovinio prancūziško žodžio Univers, kuris kilęs iš lotyniško žodžio universum. Ciceronas ir vėlesni lotynų autoriai šį žodį vartojo daugeliu tų pačių prasmių, kaip ir šiuolaikinis angliškas žodis.

Kitoks unvorsum aiškinimas (aiškinimo būdas) yra "viskas sukosi kaip vienas" arba "viskas sukosi kaip vienas". Tai susiję su ankstyvuoju graikiškuoju Visatos modeliu. Pagal šį modelį visa materija buvo besisukančiose sferose, kurių centre buvo Žemė; anot Aristotelio, išorinės sferos sukimasis buvo atsakingas už visko, kas joje yra, judėjimą ir kitimą. Graikams buvo natūralu manyti, kad Žemė nejuda, o dangus sukasi apie Žemę, nes norint įrodyti priešingai, reikia atlikti kruopščius astronominius ir fizikinius matavimus (pvz., Foucault švytuoklės).

Senovės graikų filosofai, pradedant Pitagoru, "Visatą" dažniausiai vadino το παν ("Viskas"), kuri buvo apibrėžiama kaip visa materija (το ολον) ir visa erdvė (το κενον).

Plačiausia reikšmė

Plačiausią Visatos sąvokos reikšmę Viduramžių filosofas Johannesas Scotus Eriugena savo veikale "De divisione naturae" apibrėžė ją kaip viską: visa, kas egzistuoja, ir visa, kas neegzistuoja.

Eriugenos apibrėžime į laiką neatsižvelgiama, todėl jo apibrėžimas apima viską, kas egzistuoja, egzistavo ir egzistuos, taip pat viską, ko nėra, niekada nebuvo ir niekada nebus. Šio visa apimančio apibrėžimo dauguma vėlesnių filosofų nepriėmė, tačiau kažkas panašaus yra kvantinėje fizikoje.

Apibrėžtis kaip tikrovė

Paprastai manoma, kad Visata yra viskas, kas egzistuoja, egzistavo ir egzistuos. Šiame apibrėžime teigiama, kad Visatą sudaro du elementai: erdvė ir laikas, kartu vadinami erdvėlaikiu arba vakuumu, ir erdvėlaikį užimanti materija bei įvairios energijos ir impulso formos. Šios dvi elementų rūšys elgiasi pagal fizikinius dėsnius, kuriais apibūdiname elementų sąveiką.

Panašus sąvokos Visata apibrėžimas yra viskas, kas egzistuoja vienu laiko momentu, pavyzdžiui, dabartyje arba laiko pradžioje, kaip sakinyje "Visata buvo 0 dydžio".

Aristotelio knygoje "Fizika" Aristotelis το παν (viską) suskirstė į tris maždaug analogiškus elementus: materiją (medžiaga, iš kurios sudaryta Visata), formą (tos materijos išsidėstymas erdvėje) ir kaitą (kaip materija sukuriama, sunaikinama ar pakeičiamos jos savybės, taip pat kaip keičiasi forma). Fizikiniai dėsniai - tai taisyklės, reglamentuojančios materijos, formos ir jų pokyčių savybes. Vėlesni filosofai, tokie kaip Lukrecijus, Averroesas, Avicena ir Baruchas Spinoza, pakeitė arba patobulino šiuos skirstymus. Pavyzdžiui, Averroesas ir Spinoza Visatą valdo aktyviaisiais principais, kurie veikia pasyvius elementus.

Erdvėlaikio apibrėžtys

Galima sudaryti erdvėlaikius, kurių kiekvienas egzistuoja, bet negali liestis, judėti ar keistis (sąveikauti vienas su kitu). Lengva tai įsivaizduoti kaip atskirų muilo burbulų grupę, kurioje viename muilo burbule gyvenantys žmonės negali sąveikauti su kituose muilo burbuluose gyvenančiais žmonėmis. Pagal vieną įprastą terminologiją kiekvienas erdvėlaikio "muilo burbulas" vadinamas visata, o mūsų konkretus erdvėlaikis - Visata, panašiai kaip savo Mėnulį vadiname Mėnuliu. Visa šių atskirų erdvėlaikių visuma vadinama daugialype visata. Iš esmės kitose nesusijusiose visatose gali būti skirtingi erdvėlaikio matmenys ir topologija, skirtingos materijos ir energijos formos, skirtingi fizikiniai dėsniai ir fizikinės konstantos, nors tokios galimybės yra tik spėlionės.

Stebima tikrovė

Pagal dar griežtesnį apibrėžimą, Visata - tai viskas, kas yra mūsų sujungtame erdvėlaikyje, kas gali sąveikauti su mumis ir atvirkščiai.

Remiantis bendrąja reliatyvumo idėja, kai kurios erdvės sritys gali niekada nesąveikauti su mūsų erdve net per visą Visatos gyvavimo laikotarpį dėl ribinio šviesos greičio ir nuolatinio erdvės plėtimosi. Pavyzdžiui, iš Žemės siunčiami radijo pranešimai gali niekada nepasiekti kai kurių kosmoso regionų, net jei Visata egzistuotų amžinai; erdvė gali plėstis greičiau, nei šviesa gali ja keliauti.

Verta pabrėžti, kad tos tolimos erdvės sritys egzistuoja ir yra tikrovės dalis lygiai taip pat, kaip ir mes, tačiau mes niekada negalime su jomis sąveikauti net iš principo. Erdvinis regionas, kuriame mes galime daryti poveikį ir būti paveikti, vadinamas stebima visata.

Griežtai kalbant, stebima visata priklauso nuo stebėtojo buvimo vietos. Keliaudamas stebėtojas gali susidurti su didesne erdvėlaikio sritimi nei nejudantis stebėtojas, todėl pirmojo stebima visata yra didesnė nei antrojo. Nepaisant to, net ir pats greičiausias keliautojas gali nespėti sąveikauti su visa erdve. Paprastai "stebima visata" reiškia visatą, matomą iš mūsų stebėjimo taško, esančio Pieno kelio galaktikoje.

Visata yra didžiulė ir galbūt begalinė. Matoma materija išsidėsčiusi mažiausiai 93 milijardų šviesmečių erdvėje. Palyginimui, tipiškos galaktikos skersmuo yra tik 30 000 šviesmečių, o tipiškas atstumas tarp dviejų kaimyninių galaktikų - tik 3 milijonai šviesmečių. Pavyzdžiui, mūsų Pieno kelio galaktikos skersmuo yra maždaug 100 000 šviesmečių, o artimiausia gimininga galaktika, Andromedos galaktika, yra maždaug už 2,5 mln. šviesmečių. Stebimoje Visatoje yra daugiau nei 2 trilijonai (10¹² ) galaktikų ir iš viso maždaug 1×10²⁴ žvaigždžių (daugiau žvaigždžių nei visų Žemės planetos smėlio grūdelių).

Įprastos galaktikos - nuo nykštukinių, turinčių vos dešimt milijonų žvaigždžių (10⁷ ), iki milžinių, turinčių vieną trilijoną žvaigždžių (10¹² ), kurios visos skrieja aplink galaktikos masės centrą. Taigi, labai apytiksliai įvertinus šiuos skaičius, galima teigti, kad stebimoje visatoje yra apie vieną sestilijoną (10²¹ ) žvaigždžių; nors 2003 m. Australijos nacionalinio universiteto astronomai atliko tyrimą, kurio rezultatas - 70 sestilijonų (7 x 10²² ).

Matoma materija yra pasiskirsčiusi visoje visatoje, jei ją vidutiniškai matome didesniu nei 300 milijonų šviesmečių atstumu. Tačiau mažesniuose ilgio masteliuose pastebėta, kad materija sudaro "gumulus", daugelis atomų kondensuojasi į žvaigždes, dauguma žvaigždžių - į galaktikas, dauguma galaktikų - į galaktikų grupes ir spiečius, o galiausiai - į didžiausio masto struktūras, tokias kaip Didžioji galaktikų siena.

Dabartinis bendras Visatos tankis yra labai mažas - maždaug 9,9 × 10⁻³⁰ gramų kubiniame centimetre. Atrodo, kad šią masę-energiją sudaro 73 % tamsiosios energijos, 23 % šaltosios tamsiosios medžiagos ir 4 % paprastosios medžiagos. Atomų tankis yra maždaug vienas vandenilio atomas keturiuose kubiniuose metruose tūrio. Tamsiosios energijos ir tamsiosios medžiagos savybės nėra žinomos. Tamsioji medžiaga lėtina Visatos plėtimąsi. Tamsioji energija spartina jos plėtimąsi.

Visata yra sena ir kintanti. Geriausias spėjimas apie Visatos amžių yra 13,798±0,037 mlrd. metų, remiantis kosminės mikrobangų foninės spinduliuotės stebėjimais. Nepriklausomi įverčiai (pagrįsti tokiais matavimais kaip radioaktyvusis datavimas) sutampa, nors jie nėra tokie tikslūs ir svyruoja nuo 11-20 mlrd. iki 13-15 mlrd. metų.

Visata nebuvo tokia pati visais jos istorijos laikotarpiais. Dėl to, kad ji vis didėja, Žemėje gyvenantys žmonės gali matyti šviesą iš už 30 milijardų šviesmečių esančios galaktikos, nors ši šviesa keliavo tik 13 milijardų metų; erdvė tarp jų išsiplėtė. Šis plėtimasis atitinka stebėjimą, kad tolimų galaktikų šviesa yra raudonai pasislinkusi; kelionės metu išspinduliuoti fotonai išsitempė iki ilgesnių bangų ilgių ir mažesnio dažnio. Remiantis Ia tipo supernovų tyrimais ir kitais duomenimis, šis erdvinis plėtimasis vis spartėja.

Atrodo, kad santykinis įvairių cheminių elementų, ypač lengviausių atomų, tokių kaip vandenilis, deuteris ir helis, kiekis visoje Visatoje ir per visą mums žinomą jos istoriją yra vienodas. Atrodo, kad visatoje yra daug daugiau materijos nei antimaterijos. Atrodo, kad Visata neturi grynojo elektros krūvio. Gravitacija yra dominuojanti sąveika kosmologiniais atstumais. Atrodo, kad Visatoje taip pat nėra grynojo impulso arba kampinio momento. Grynojo krūvio ir momento nebuvimas yra tikėtinas, jei Visata yra baigtinė.

Atrodo, kad Visata turi tolygų erdvėlaikio kontinuumą, sudarytą iš trijų erdvinių ir vieno laikinio (laiko) matmenų. Vidutiniškai erdvė yra beveik plokščia (kreivumas artimas nuliui), o tai reiškia, kad Euklido geometrija eksperimentiškai labai tiksliai galioja didžiojoje Visatos dalyje. Tačiau Visata gali turėti daugiau matmenų, o jos erdvėlaikis gali turėti daugialypių ryšių turinčią globalią topologiją.

Visatoje galioja tie patys fizikiniai dėsniai ir fizikinės konstantos. Pagal vyraujantį standartinį fizikos modelį visa materija sudaryta iš trijų kartų leptonų ir kvarkų, kurie yra fermionai. Šios elementariosios dalelės sąveikauja ne daugiau kaip per tris pagrindines sąveikas: elektrovaros sąveiką, apimančią elektromagnetizmą ir silpnąją branduolinę jėgą; stipriąją branduolinę jėgą, kurią aprašo kvantinė chromodinamika, ir gravitaciją, kurią šiuo metu geriausiai apibūdina bendrasis reliatyvumas.

Specialusis reliatyvumas galioja visoje visatoje vietinėje erdvėje ir laike. Priešingu atveju galioja bendrasis reliatyvumas. Nėra paaiškinimo, kodėl fizikinės konstantos, pavyzdžiui, Planko konstanta h arba gravitacinė konstanta G, mūsų Visatoje įgauna tam tikras vertes. Nustatyti keli išsaugojimo dėsniai, pavyzdžiui, krūvio išsaugojimo, momento išsaugojimo, kampinio momento išsaugojimo ir energijos išsaugojimo dėsniai.

Bendroji reliatyvumo teorija

Norint tiksliai nuspėti visatos praeitį ir ateitį, reikia turėti tikslią gravitacijos teoriją. Geriausia turima teorija yra Alberto Einšteino bendroji reliatyvumo teorija, kuri iki šiol išlaikė visus eksperimentinius bandymus. Tačiau, kadangi griežti eksperimentai kosmologinio ilgio masteliu nebuvo atlikti, bendroji reliatyvumo teorija gali būti netiksli. Nepaisant to, jos prognozės atitinka stebėjimus, todėl nėra priežasčių priimti kitą teoriją.

Bendrasis reliatyvumas pateikia dešimties netiesinių dalinių diferencialinių lygčių rinkinį erdvėlaikio metrikai (Einšteino lauko lygtys), kurį reikia išspręsti iš masės, energijos ir impulso pasiskirstymo Visatoje. Kadangi jie tiksliai nežinomi, kosmologiniai modeliai buvo grindžiami kosmologiniu principu, kuris teigia, kad visata yra vienalytė ir izotropinė. Iš esmės šis principas teigia, kad įvairių visatą sudarančių galaktikų gravitacinis poveikis yra lygiavertis smulkių dulkių, tolygiai pasiskirsčiusių visoje visatoje ir turinčių tokį patį vidutinį tankį, gravitaciniam poveikiui. Darant prielaidą, kad dulkės yra vienodos, lengva išspręsti Einšteino lauko lygtis ir numatyti visatos praeitį bei ateitį kosmologiniu laiko mastu.

Einšteino lauko lygtys apima kosmologinę konstantą (Lamda: Λ), kuri yra susijusi su tuščios erdvės energijos tankiu. Priklausomai nuo ženklo, kosmologinė konstanta gali sulėtinti (neigiamas Λ) arba pagreitinti (teigiamas Λ) visatos plėtimąsi. Nors daugelis mokslininkų, įskaitant Einšteiną, spėliojo, kad Λ yra lygi nuliui, naujausi astronominiai Ia tipo supernovų stebėjimai aptiko didelį tamsiosios energijos kiekį, kuris spartina Visatos plėtimąsi. Preliminarūs tyrimai rodo, kad ši tamsioji energija yra susijusi su teigiamu Λ, nors kol kas negalima atmesti ir alternatyvių teorijų.

Didžiojo sprogimo modelis

Vyraujantis Didžiojo sprogimo modelis paaiškina daugelį pirmiau aprašytų eksperimentinių stebėjimų, pavyzdžiui, galaktikų atstumo ir raudonojo poslinkio koreliaciją, visuotinį vandenilio ir helio atomų santykį ir visur esantį izotropinį mikrobangų spinduliuotės foną. Kaip minėta, raudonasis poslinkis atsiranda dėl metrinio erdvės plėtimosi; plečiantis pačiai erdvei, didėja ir erdvėje keliaujančio fotono bangos ilgis, todėl mažėja jo energija. Kuo ilgiau fotonas keliauja, tuo labiau jis išsiplėtė; todėl senesni fotonai iš tolimesnių galaktikų turi didžiausią raudonąjį poslinkį. Atstumo ir raudonojo poslinkio ryšio nustatymas yra svarbi eksperimentinės fizikinės kosmologijos problema.

Kitus eksperimentinius stebėjimus galima paaiškinti derinant bendrą erdvės plėtimąsi su branduoline ir atomine fizika. Visatai plečiantis elektromagnetinės spinduliuotės energijos tankis mažėja greičiau nei materijos, nes fotono energija mažėja kartu su jo bangos ilgiu. Taigi, nors dabar visatoje energijos tankį sudaro materija, kažkada joje vyravo spinduliuotė; poetiškai tariant, viskas buvo šviesa. Visatai plečiantis, jos energijos tankis mažėjo ir ji darėsi vis vėsesnė; dėl to elementariosios materijos dalelės galėjo stabiliai jungtis į vis didesnius derinius. Taigi materijos eros pradžioje susidarė stabilūs protonai ir neutronai, kurie vėliau susijungė į atomų branduolius. Šiame etape materija Visatoje daugiausia buvo karšta, tanki neigiamų elektronų, neutralių neutrinų ir teigiamų branduolių plazma. Branduolinės reakcijos tarp branduolių lėmė dabartinį lengvesnių branduolių, ypač vandenilio, deuterio ir helio, gausumą. Galiausiai elektronai ir branduoliai susijungė į stabilius atomus, kurie yra skaidrūs daugumai spinduliuotės bangų ilgių; tuomet spinduliuotė atsiskyrė nuo materijos ir susidarė visur esantis izotropinis mikrobangų spinduliuotės fonas, stebimas šiandien.

Į kitus pastebėjimus žinomi fizikos duomenys aiškiai neatsako. Pagal vyraujančią teoriją, nedidelis materijos ir antimaterijos disbalansas buvo jau Visatos sukūrimo metu arba susiformavo labai greitai po to. Nors materija ir antimaterija dažniausiai anihiliuodavo tarpusavyje ir susidarydavo fotonai, nedidelis materijos likutis išliko, todėl dabar visatoje dominuoja materija.

Keletas įrodymų taip pat rodo, kad greita kosminė infliacija Visatoje įvyko labai anksti (maždaug 10⁻³⁵ sekundžių po jos sukūrimo). Naujausi stebėjimai taip pat rodo, kad kosmologinė konstanta (Λ) nėra lygi nuliui, o visatos grynąjį masės ir energijos kiekį sudaro tamsioji energija ir tamsioji medžiaga, kurios nėra moksliškai apibūdintos. Jos skiriasi savo gravitaciniu poveikiu. Tamsioji medžiaga gravituoja kaip ir įprastinė medžiaga, todėl lėtina Visatos plėtimąsi; tamsioji energija, priešingai, spartina Visatos plėtimąsi.

Kai kurie žmonės mano, kad egzistuoja daugiau nei viena Visata. Jie mano, kad egzistuoja visatų visuma, vadinama multivisata. Pagal apibrėžimą, nėra jokio būdo, kad kas nors vienoje visatoje galėtų paveikti ką nors kitoje visatoje. Daugialypė visata dar nėra mokslinė idėja, nes nėra būdo ją patikrinti. Idėja, kurios negalima patikrinti arba kuri nėra pagrįsta logika, nėra mokslas. Taigi nėra žinoma, ar daugialypė visata yra mokslinė idėja.

Visatos ateitis yra paslaptis. Tačiau yra keletas teorijų, pagrįstų galimomis visatos formomis:

• Jei visata yra uždara sfera, ji nustos plėstis. Visata pasielgs priešingai ir taps singuliarumu kitam Didžiajam sprogimui.
• Jei visata yra atsivėrusi sfera, tai pagreitins plėtimąsi. Po 22 000 000 000 000 (22 milijardų) metų visata plyš nuo jėgos.
• Jei visata plokščia, ji amžinai plėsis. Visos žvaigždės dėl to praras savo energiją ir taps nykštukinėmis žvaigždėmis. Po googolio metų juodosios skylės taip pat išnyks.