Inashangaza kwa kiasi fulani kwamba aina nyingi zaidi za nishati katika Ulimwengu pia ni za kushangaza zaidi. Baada ya ugunduzi wa kustaajabisha wa upanuzi unaoharakishwa wa Ulimwengu, picha thabiti ilitokea haraka ikionyesha kwamba 2/3 ya ulimwengu "imetengenezwa" na " nishati ya giza"- aina fulani ya nyenzo za kuchukiza mvuto. Lakini je, uthibitisho huo unatosha kuunga mkono sheria hizi mpya za asili? Labda kuna maelezo rahisi zaidi ya astrophysical kwa matokeo haya?
Mfano wa noti hii ulichapishwa hivi majuzi katika sehemu maarufu ya sayansi ya Habr, ingawa ilikuwa chini ya kufuli na ufunguo, kwa hivyo labda sio kila mtu anayevutiwa aliipata. Katika toleo hili, nyongeza muhimu zimefanywa, ambazo zinapaswa kuwa za kupendeza kwa kila mtu.
Historia ya nishati ya giza ilianza mnamo 1998, wakati timu mbili huru ziligundua supernovae za mbali. ili kugundua kasi ambayo upanuzi wa Ulimwengu unapungua. Mmoja wao, Mradi wa Supernova Cosmology, ulianza kazi mnamo 1988, na uliongozwa na Saul Perlmutter. Mwingine, akiongozwa na Timu ya Utaftaji ya Brian Schmidt High-z Supernova, alijiunga na utafiti mnamo 1994. Matokeo yaliwashtua: Ulimwengu umekuwa katika hali ya upanuzi iliyoharakishwa kwa muda mrefu sana.
Kama wapelelezi, wataalamu wa masuala ya anga duniani kote walikuwa wakitayarisha ripoti kuhusu mshtakiwa aliyehusika na kuongeza kasi hiyo. Sifa zake maalum: zenye kuchukiza mvuto, huzuia uundaji wa galaksi (kukusanya vitu kwenye galaksi), hujidhihirisha katika kunyoosha muda wa anga. Jina la utani la mshtakiwa ni "nishati ya giza." Wananadharia wengi wamependekeza kuwa mshtakiwa ni mtu wa ulimwengu. Hakika ililingana na hali ya upanuzi wa kasi. Lakini kulikuwa na ushahidi wa kutosha wa kutambua kikamilifu nishati ya giza na mara kwa mara ya cosmological?
Kuwepo kwa nishati ya giza inayorudisha nyuma mvuto kungekuwa na matokeo makubwa kwa fizikia ya kimsingi. Dhana ya kihafidhina zaidi ilikuwa kwamba Ulimwengu umejaa bahari ya homogeneous nishati ya quantum mitetemo ya nukta sifuri au msongamano wa chembe mpya ambazo uzito wake ni $((10)^(39))$ mara chini ya elektroni. Watafiti wengine pia walipendekeza hitaji la mabadiliko kwa uhusiano wa jumla, haswa nguvu mpya za masafa marefu ambazo hudhoofisha athari ya mvuto. Lakini hata mapendekezo ya kihafidhina yalikuwa na mapungufu makubwa. Kwa mfano, msongamano wa nishati ya nukta sifuri uligeuka kuwa maagizo 120 yasiyowezekana ya ukubwa chini ya utabiri wa kinadharia. Kwa mtazamo wa mawazo haya yaliyokithiri, ilionekana kuwa ya asili zaidi kutafuta suluhisho ndani ya mfumo wa dhana za kitamaduni za unajimu: vumbi la galaksi (kutawanyika kwa fotoni juu yake na kudhoofika kwa mtiririko wa fotoni) au tofauti kati ya mpya. na supernovae ya zamani. Uwezekano huu umeungwa mkono na wataalamu wengi wa ulimwengu wanaokesha usiku.
Uchunguzi wa supernovae na uchanganuzi wao uliofanywa na S. Perlmutter, B. Schmidt na A. Riess ulionyesha wazi kwamba kupungua kwa mwangaza wao na umbali hutokea kwa kasi zaidi kuliko inavyotarajiwa kulingana na mifano ya cosmological iliyokubaliwa wakati huo. Hivi majuzi, uvumbuzi huu ulizingatiwa. Kufifisha huku kwa ziada kunamaanisha kuwa kibadilishaji rangi nyekundu kilichotolewa kinalingana na nyongeza ya umbali inayofaa. Lakini hii, kwa upande wake, inawezekana tu wakati upanuzi wa cosmological hutokea kwa kasi, i.e. Kasi ambayo chanzo cha mwanga huondoka kutoka kwetu haipunguzi, lakini huongezeka kwa wakati. Kipengele muhimu zaidi cha majaribio mapya ni kwamba walifanya iwezekanavyo sio tu kuamua ukweli wa upanuzi wa kasi, lakini pia kupata hitimisho muhimu kuhusu mchango wa vipengele mbalimbali kwa msongamano wa mambo katika Ulimwengu.
Hadi hivi majuzi, supernovae ndio ushahidi pekee wa moja kwa moja wa upanuzi wa kasi na usaidizi pekee wa kushawishi kwa nishati ya giza. Vipimo sahihi vya usuli wa microwave ya ulimwengu, ikijumuisha data ya WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe), vimetoa uthibitisho huru wa ukweli wa nishati ya giza. Vile vile vilithibitishwa na data kutoka kwa miradi miwili yenye nguvu zaidi: usambazaji mkubwa wa galaksi katika Ulimwengu na Utafiti wa Anga wa Dijiti wa Sloan (SDSS).
Mchanganyiko wa data kutoka kwa WMAP, SDSS na vyanzo vingine uligundua kuwa msukosuko wa mvuto unaotokana na nishati ya giza unapunguza kasi ya kuporomoka kwa maeneo yenye msongamano mkubwa wa maada katika Ulimwengu. Ukweli wa nishati ya giza mara moja ukawa unakubalika zaidi.
Upanuzi wa nafasi
Upanuzi wa ulimwengu uligunduliwa na Edwin Hubble mwishoni mwa miaka ya 1920 na inaweza kuwa kipengele muhimu zaidi cha Ulimwengu wetu. Sio miili ya angani tu inayosonga chini ya ushawishi mwingiliano wa mvuto majirani zao, lakini miundo mikubwa pia imepanuliwa kwa kiwango kikubwa zaidi na upanuzi wa cosmic. Mfano maarufu ni harakati ya zabibu katika keki kubwa sana katika tanuri. Wakati pie inapoongezeka, umbali kati ya jozi yoyote ya zabibu iliyoingia kwenye pai huongezeka. Ikiwa tunafikiria kwamba mwangaza fulani unawakilisha galaksi yetu, basi tutagundua kwamba mambo muhimu mengine yote (galaksi) yanasonga mbali nasi katika pande zote. Ulimwengu wetu ulipanuka kutoka kwenye supu moto na mnene ya ulimwengu iliyoundwa na Big Bang na kuwa mkusanyiko mwembamba zaidi wa galaksi na makundi ya galaksi tunayoona leo.
Mwangaza unaotolewa na nyota na gesi katika galaksi za mbali hunyoshwa vile vile, na kurefusha urefu wake wa mawimbi inaposafiri kwenda duniani. Mabadiliko haya ya urefu wa mawimbi yanatolewa na redshift $z=\left(\lambda_(obs)-\lambda_0\kulia)/\lambda_0$, ambapo $\lambda_(obs)$ ni urefu wa nuru Duniani na $\lambda_ (0) $ ni urefu wa wimbi la mwanga uliotolewa. Kwa mfano, mpito wa alpha ya Lyman katika atomi ya hidrojeni ina sifa ya urefu wa wimbi la $\lambda_0=121.6$ nanometers (wakati wa kurudi kwenye hali ya chini). Mpito huu unaweza kugunduliwa katika mnururisho wa galaksi za mbali. Hasa, ilitumiwa kugundua rekodi ya juu nyekundu: z=10 ya kushangaza na laini ya alpha ya Lyman katika $\lambda_(obs)=1337.6$ nanomita. Lakini redshift inaeleza tu badiliko la kipimo cha ulimwengu jinsi mwanga unavyotolewa na kufyonzwa, na haitoi taarifa ya moja kwa moja kuhusu umbali wa mtoaji au umri wa ulimwengu wakati mwanga ulipotolewa. Ikiwa tunajua umbali wa kitu na ubadilishanaji mwekundu, tunaweza kujaribu kupata habari muhimu kuhusu mienendo ya upanuzi wa Ulimwengu.
Uchunguzi supernova aligundua kitu fulani cha kuchukiza mvuto ambacho hudhibiti kasi ya Ulimwengu. Hii si mara ya kwanza kwa wanaastronomia kukutana na tatizo la kukosa maada. Makundi yenye kung'aa ya galaksi yaligeuka kuwa madogo sana kuliko yale mvuto. Tofauti hii iliundwa na maada nyeusi - baridi, isiyo na uhusiano, ambayo labda inaundwa na chembe zinazoingiliana kwa udhaifu na atomi na mwanga.
Hata hivyo, uchunguzi ulionyesha kwamba jumla ya kiasi cha maada katika Ulimwengu, ikiwa ni pamoja na mada ya giza, ni 1/3 tu ya jumla ya nishati. Hii imethibitishwa na utafiti wa mamilioni ya galaksi ndani ya miradi ya 2DF na SDSS. Lakini nadharia ya jumla uhusiano unatabiri kwamba kuna uhusiano sahihi kati ya upanuzi na maudhui ya nishati ya Ulimwengu. Kwa hivyo tunajua kwamba jumla ya msongamano wa nishati ya fotoni zote, atomi na mada nyeusi lazima ziongezwe kwa baadhi thamani muhimu, iliyofafanuliwa na Hubble constant $H_(0)$: $((\rho)_(crit))=3H_(0)^(2)/8\pi\cdot(G)$. Kukamata ni kwamba haifanyi, lakini hiyo ni hadithi tofauti kabisa.
Misa, nishati na curvature ya muda wa nafasi zinahusiana moja kwa moja katika uhusiano wa jumla. Kwa hivyo, maelezo moja yanaweza kuwa kwamba pengo kati ya msongamano muhimu na msongamano wa jambo linalozingatiwa hujazwa na msongamano fulani wa nishati unaohusishwa na deformation ya nafasi katika mizani kubwa na inayoonekana tu kwa mizani kwa utaratibu wa $c/((H) _(0)) \ sim 4000\ MPC$. Kwa bahati nzuri, mzingo wa Ulimwengu unaweza kuamuliwa kwa kutumia vipimo sahihi vya ICF. Masalio, yenye asili ya 400,000 baada ya Big Bang, ICF ni mionzi nyeusi ya mwili, chanzo chake ni plasma ya awali. Ulimwengu ulipopoa chini ya $3000\K$, plasma ikawa wazi kwa fotoni na ziliweza kueneza kwa uhuru angani. Leo, karibu miaka bilioni 15 baadaye, tunaona hifadhi ya joto ya fotoni katika halijoto ya $2.726\K$, ambayo inawakilisha matokeo ya mabadiliko nyekundu kutokana na upanuzi wa ulimwengu.
Picha ya ajabu ya ICF ilipatikana kwa kutumia satelaiti ya WMAP, ikionyesha mabadiliko kidogo katika joto la photoni la "anga". Tofauti hizi, zinazojulikana kama ICF anisotropy, zinaonyesha tofauti ndogo katika msongamano na mwendo wa Ulimwengu wa mapema. Tofauti hizi, zinazojitokeza katika kiwango cha $((10)^(-5)))$, ni mbegu za muundo wa kiwango kikubwa (galaksi, makundi) tunayoona leo.
Maeneo baridi/moto zaidi katika mandharinyuma ya microwave ya ulimwengu yanatokana na fotoni ambazo zilitoka kwenye maeneo yenye uwezo wa mvuto wa juu/chache zaidi. Vipimo vya mikoa hii vimedhamiriwa vyema na fizikia ya plasma. Tunapozingatia Ulimwengu kamili, saizi inayoonekana ya angular ya anisotropies hizi inapaswa kuwa $((0.5)^(0))$ ikiwa Ulimwengu una mpindano wa kutosha kujaza pengo la nishati na saizi ya angular mara mbili bila mpindano wowote. wa nafasi. Njia rahisi zaidi ya kuibua athari hii ya kijiometri ni kufikiria pembetatu yenye msingi na pande zilizowekwa (pande tu?), Inayotolewa kwenye nyuso za curvature tofauti. Kwa uso wa tandiko/tufe pembe za ndani itakuwa ndogo/kubwa kuliko pembetatu ile ile inayochorwa kwenye uso tambarare (na jiometri ya Euclidean).
Tangu 1999 imekuwa ikifanyika mstari mzima majaribio (TOCO, MAXIMA, BOOMERANG, WMAP), ambayo yalionyesha kuwa matangazo ya MCF yana ukubwa wa mpangilio wa $((1)^(0))$. Hii ina maana kwamba jiometri ya Ulimwengu ni tambarare. Kwa mtazamo wa shida ya nishati inayokosekana, hii inamaanisha kuwa kitu kingine isipokuwa curvature lazima kiwe na jukumu la kujaza pengo. Kwa baadhi ya wanasaikolojia, matokeo haya yalionekana kama déjà vu. Mfumuko wa bei, nadharia bora zaidi ya ICF ya asili ya kushuka kwa thamani ya awali, inapendekeza kwamba Ulimwengu wa mapema sana ulipata kipindi cha upanuzi wa kasi ambao uliendeshwa na chembe inayoitwa inflaton. Inflaton ingenyoosha mkunjo wowote wa kiwango kikubwa, na kufanya jiometri ya ulimwengu kuwa tambarare au Euclidean. Ushahidi unapendekeza kuwepo kwa aina ya nishati inayozuia mkusanyiko wa galaksi, ambayo inachukiza mvuto, na ambayo inaweza kuwa kutokana na chembe nyingine isipokuwa inflaton.
Maelewano ya Cosmic
Data ya CMB na supernova Takwimu zimethibitisha mara kwa mara kuwa chanzo cha kuongeza kasi ya ulimwengu ni nishati ya giza. Lakini huo ulikuwa mwanzo tu. Kwa kuchanganya vipimo vya usahihi vya ICF kutoka kwa WMAP na hisia za redio, macho na X-ray za usambazaji wa vitu vikubwa, wataalamu wa anga wamepata ushahidi zaidi wa kasi ya upanuzi wa Ulimwengu. Ilibadilika kuwa mashimo ya uwezo wa mvuto wa msongamano na mshikamano katika Ulimwengu yalinyooshwa na kusawazishwa kwa wakati, kana kwamba chini ya ushawishi wa mvuto wa kuchukiza. Athari hii inajulikana kama athari muhimu (Sachs-Wolfe (ISW)). Inasababisha uwiano kati ya anisotropy ya halijoto katika CMB na muundo mkubwa wa Ulimwengu. Ingawa plasma ya awali ikawa wazi kwa fotoni Ulimwengu ulipopoa, fotoni hazisafiri bila kizuizi. Nafasi imejaa hitilafu ambazo zina nguvu kwa umbali mfupi (ambapo mafungu ya maada katika nyota, galaksi na nebulae) na polepole hudhoofisha juu ya mizani kubwa ya urefu ... Wakati wa kukimbia kwao, fotoni huanguka ndani na nje ya mashimo ya mvuto.
Baada ya miale ya cosmic kugunduliwa kwa mara ya kwanza (kama miaka 40 iliyopita), Sachs na Wolff walionyesha kuwa uwezo wa kutofautiana wa wakati unapaswa kusababisha mabadiliko ya nishati katika ICF ya fotoni zinazopita ndani yake. Fotoni hupata nishati inapoanguka kwenye shimo la uvutano na kuitumia inapotoka humo. Ikiwa uwezo ulikuwa wa kina wakati wa mchakato huu, basi photon kwa ujumla itapoteza nishati. Ikiwa uwezo unakuwa duni, fotoni itapata nishati.
Katika Ulimwengu ambapo msongamano kamili muhimu huundwa tu na atomi na mada nyeusi, uwezo hafifu wa mvuto katika mizani kubwa sana ya anga (ambayo inalingana na mawimbi laini ya msongamano wa dutu) hubadilika polepole sana ili kuacha athari zinazoonekana katika fotoni za ICF. Maeneo yenye minene hufyonza tu vitu vinavyozunguka kwa kasi ile ile ambayo upanuzi wa ulimwengu hurefusha mawimbi, na kuacha uwezo huo bila kubadilika. Hata hivyo, kwa upanuzi wa haraka wa Ulimwengu kutokana na nishati ya giza, uongezekaji wa jambo hauwezi kushindana na kunyoosha. Kwa ufanisi, kuanguka kwa mvuto kunapunguzwa na jambo la giza la kuchukiza. Kwa hivyo, uwezo wa uvutano huelekea kubapa na fotoni hupata nishati inapopitia maeneo haya. Vivyo hivyo, fotoni hupoteza nishati wakati wa kupita katika maeneo yenye msongamano mdogo. (Sio jambo dogo!)
Shinikizo hasi
Siri kubwa zaidi ya kuongeza kasi ya ulimwengu sio kwamba inamaanisha kwamba 2/3 ya dutu inayojaza Ulimwengu haionekani kwetu, lakini inalazimisha uwepo wa maada kwa msukumo wa mvuto. Ili kuzingatia mali hii ya ajabu ya nishati ya giza, ni muhimu kuanzisha kiasi $w=((p)_(giza))/((\rho )_(giza))$. Usemi huu unafanana na mlinganyo wa hali ya gesi. Kwa ujumla uhusiano, kasi ya mabadiliko ya upanuzi wa ulimwengu ni sawia na $-\left(((\rho )_(jumla))+3((p)_(jumla)) \kulia)$. Kwa upanuzi wa kasi thamani hii lazima iwe chanya. Kwa kuwa $((\rho )_(jumla))$ ni chanya, na shinikizo la wastani la jambo la kawaida na la giza halitoshi (kwa sababu ni baridi na halihusiani), tunafikia mahitaji $3w\times ((\ rho )_(giza))+((\rho )_(jumla))
Kwa nini shinikizo huathiri upanuzi wa Ulimwengu? Einstein alionyesha kwamba maada na nishati hupinda wakati wa nafasi. Kwa hiyo, kwa gesi ya moto nishati ya kinetic atomi zake huchangia nguvu zake za uvutano, kama inavyopimwa kwa kupima kasi ya miili ya mbali. Walakini, nguvu zinazohitajika kudhibiti au kutenganisha kazi ya gesi dhidi ya shinikizo hili la ziada. Ulimwengu kwa upande mwingine haujatengwa wala hauna mipaka. Upanuzi wa nafasi iliyojaa gesi ya moto itatokea kwa ufanisi polepole zaidi (kutokana na mvuto wa kibinafsi) kuliko upanuzi wa ulimwengu uliojaa gesi baridi. Kwa mantiki hiyo hiyo, kati yenye shinikizo hasi kiasi kwamba $((\rho )_(jumla))+3p
Shinikizo hasi sio jambo la kawaida sana. Shinikizo la maji katika baadhi ya miti mirefu huwa hasi kadiri lishe inavyoongezeka kupitia mfumo wao wa mishipa. Katika uwanja wa umeme au magnetic sare, usanidi na shinikizo hasi unaweza pia kupatikana. Katika hali hizi shinikizo ni kitu kama chemchemi iliyoinuliwa chini ya mvutano unaosababishwa na nguvu za ndani. Katika kiwango cha hadubini, hifadhi ya mifupa ya Higgs ( chembe dhahania, kuzalisha wingi wa chembe katika Muundo wa Kawaida) huleta shinikizo hasi wakati msisimko wake wa joto au kinetiki ni mdogo. Hakika, inflaton inaweza kuzingatiwa kama toleo nzito la kifua cha Higgs. Toleo moja lililopendekezwa la nishati ya giza—quintessence—linaweza kuwa toleo jepesi zaidi la Higgs.
Kimsingi haipo kikomo cha chini shinikizo katika Ulimwengu. Ingawa mambo ya ajabu hutokea ikiwa $w$ itashuka hadi thamani chini ya $-1.$ Vipande vilivyotengwa vya nyenzo kama hizo vinaweza kuwa na uzito hasi. .....Lakini jambo moja liko wazi. Shinikizo kali kama hilo hasi haitokei kwa chembe za kawaida na uwanja katika uhusiano wa jumla. Uchunguzi mwingi husababisha anuwai nyembamba ya vigezo vya nishati nyeusi kuliko yale yanayofuata kutoka kwa hoja ya jumla hapo juu.
Mchanganyiko wa utabiri tofauti mifano ya kinadharia Na uchunguzi bora mnururisho wa mandharinyuma ya microwave, miundo mikubwa na supernovae husababisha $$\Omega_(giza)= 0.728^(+0.015)_(-0.016)$$$w= -0.980\pm0.053 $$
Historia fupi ya Nishati ya Giza
Nishati ya giza, au kitu sawa nayo, imeonekana mara nyingi katika historia ya cosmology. Sanduku la Pandora lilifunguliwa na Einstein, ambaye alianzisha uwanja wa mvuto katika milinganyo yake. Upanuzi wa ulimwengu ulikuwa bado haujagunduliwa na milinganyo kwa usahihi "ilipendekeza" kwamba Ulimwengu ulio na maada haungeweza kuwa tuli bila nyongeza ya kihesabu ya salio la ulimwengu, ambalo kwa kawaida huonyeshwa na $\Lambda$. Athari ni sawa na kujaza Ulimwengu na bahari nishati hasi, ambamo nyota na nebula huteleza. Ugunduzi wa kiendelezi uliondoa hitaji la nyongeza hii ya dharula kwa nadharia.
Katika miongo iliyofuata, wananadharia waliokata tamaa mara kwa mara walianzisha $\Lambda$ katika jaribio la kuelezea mpya. matukio ya astronomia. Marejesho haya kila mara yalikuwa ya muda mfupi na kwa kawaida yalisababisha maelezo zaidi yanayosadikika kwa data iliyopatikana. Walakini, tangu miaka ya 60, wazo lilianza kuibuka kwamba nishati ya utupu (sifuri) ya chembe zote na sehemu lazima itoe neno sawa na $\Lambda$. Kwa kuongeza, kuna sababu ya kuamini kwamba mara kwa mara ya cosmological inaweza kutokea katika hatua za mwanzo za mageuzi ya Ulimwengu.
Mnamo 1980, nadharia ya mfumuko wa bei ilitengenezwa. Katika nadharia hii, Ulimwengu wa mapema ulipitia kipindi cha upanuzi wa haraka wa kielelezo. Upanuzi ulilazimika shinikizo hasi, kutokana na chembe mpya - . Inflaton imeonekana kuwa na mafanikio sana. Aliruhusu mengi. Vitendawili hivi ni pamoja na matatizo ya upeo wa macho na kujaa kwa Ulimwengu. Utabiri wa nadharia ulikubaliana vyema na uchunguzi mbalimbali wa ulimwengu.
Nishati ya giza na mustakabali wa Ulimwengu
Kwa ugunduzi wa nishati ya giza, mawazo kuhusu jinsi mustakabali wa mbali wa Ulimwengu wetu unavyoweza kuwa yamebadilika sana. Kabla ya ugunduzi huu, swali la siku zijazo lilihusishwa wazi na swali la curvature ya nafasi tatu-dimensional. Ikiwa, kama wengi waliamini hapo awali, kupindika kwa nafasi kuliamua 2/3 kasi ya kisasa upanuzi wa Ulimwengu, na hapakuwa na nishati ya giza, basi Ulimwengu ungepanuka bila kikomo, polepole kupungua. Sasa ni wazi kwamba siku zijazo imedhamiriwa na mali ya nishati ya giza.
Kwa kuwa tunajua mali hizi vibaya sasa, bado hatuwezi kutabiri siku zijazo. Unaweza tu kuzingatia chaguzi tofauti. Ni vigumu kusema kile kinachotokea katika nadharia na mvuto mpya, lakini matukio mengine yanaweza kujadiliwa sasa. Ikiwa nishati ya giza haibadilika kwa wakati, kama ilivyo kwa nishati ya utupu, basi Ulimwengu utapata upanuzi wa kasi kila wakati. Makundi mengi ya nyota hatimaye yatasonga mbali na yetu hadi umbali mkubwa sana, na Galaxy yetu, pamoja na majirani zake wachache, itageuka kuwa kisiwa katika utupu. Ikiwa nishati ya giza ni quintessential, basi katika siku zijazo za mbali upanuzi wa kasi unaweza kuacha na hata kubadilishwa na compression. Katika kesi ya mwisho, Ulimwengu utarudi kwenye hali yenye moto na mnene, "Big Bang in reverse" itatokea, nyuma kwa wakati.
Bajeti ya nishati ya Ulimwengu wetu. Inafaa kuzingatia ukweli kwamba sehemu ya vitu vinavyojulikana (sayari, nyota, ulimwengu wote unaotuzunguka) ni asilimia 4 tu, iliyobaki imeundwa na aina za "giza" za nishati.
Hatima kubwa zaidi inangojea Ulimwengu ikiwa nishati ya giza ni phantom, na hivyo kwamba msongamano wake wa nishati huongezeka bila kikomo. Upanuzi wa Ulimwengu utakuwa wa haraka zaidi na zaidi, utaongeza kasi sana hivi kwamba galaksi zitang'olewa kutoka kwa vikundi, nyota kutoka kwa galaksi, sayari kutoka. mfumo wa jua. Itafikia hatua kwamba elektroni zitatengana na atomi, na viini vya atomiki vitagawanyika katika protoni na nyutroni. Kutakuwa, kama wanasema, mapumziko makubwa.
Hali kama hiyo, hata hivyo, haionekani kuwa ya uwezekano sana. Uwezekano mkubwa zaidi, wiani wa nishati ya phantom utabaki mdogo. Lakini hata hivyo, Ulimwengu unaweza kukabili mustakabali usio wa kawaida. Ukweli ni kwamba katika nadharia nyingi, tabia ya phantom - ongezeko la wiani wa nishati kwa muda - inaambatana na kutokuwa na utulivu. Katika kesi hii, uwanja wa phantom katika Ulimwengu utakuwa usio na usawa, msongamano wake wa nishati katika sehemu mbalimbali Ulimwengu utakuwa tofauti, sehemu zingine zitapanuka haraka, na zingine zinaweza kuanguka. Hatima ya Galaxy yetu itategemea ni eneo gani itaangukia.
Yote haya, hata hivyo, yanahusiana na siku zijazo, mbali hata kwa viwango vya cosmological. Katika miaka bilioni 20 ijayo, Ulimwengu utabaki karibu kama ulivyo sasa. Tuna wakati wa kuelewa sifa za nishati ya giza na kwa hivyo kutabiri kwa hakika zaidi siku zijazo - na labda kuishawishi.
Miaka mia moja tu iliyopita, wanasayansi waligundua kwamba Ulimwengu wetu unaongezeka kwa kasi kwa ukubwa.
Miaka mia moja iliyopita, mawazo juu ya Ulimwengu yalitegemea Mitambo ya Newton na jiometri ya Euclidean. Hata wanasayansi wachache, kama vile Lobachevsky na Gauss, ambao walikubali (tu kama nadharia!) ukweli wa kimwili jiometri isiyo ya Euclidean, inayozingatiwa nafasi ya nje ya milele na isiyobadilika
Mnamo 1870, mwanahisabati wa Kiingereza William Clifford alikuja na wazo kubwa sana kwamba nafasi inaweza kupindwa, na kwa usawa katika sehemu tofauti, na kwamba baada ya muda mzingo wake unaweza kubadilika. Hata alikiri kwamba mabadiliko kama haya yalihusiana kwa njia fulani na harakati ya jambo. Mawazo haya yote mawili, miaka mingi baadaye, yaliunda msingi wa nadharia ya jumla ya uhusiano. Clifford mwenyewe hakuishi kuona hili - alikufa kwa ugonjwa wa kifua kikuu akiwa na umri wa miaka 34, siku 11 kabla ya Albert Einstein kuzaliwa.
Redshift
Taarifa ya kwanza kuhusu upanuzi wa Ulimwengu ilitolewa na astrospectrography. Mnamo mwaka wa 1886, mwanaastronomia wa Kiingereza William Huggins aliona kwamba urefu wa mawimbi ya mwanga wa nyota ulibadilishwa kidogo ikilinganishwa na spectra ya dunia ya vipengele sawa. Kulingana na fomula ya toleo la macho la athari ya Doppler, iliyotokana na 1848 na mwanafizikia wa Kifaransa Armand Fizeau, kasi ya radial ya nyota inaweza kuhesabiwa. Uchunguzi huo hufanya iwezekanavyo kufuatilia harakati ya kitu cha nafasi.
Miaka mia moja tu iliyopita, mawazo kuhusu Ulimwengu yalitegemea mechanics ya Newton na jiometri ya Euclidean. Hata wanasayansi wachache, kama vile Lobachevsky na Gauss, ambao walidhani (tu kama nadharia!) ukweli wa kimwili wa jiometri isiyo ya Euclidean, kuchukuliwa nafasi ya nje ya milele na isiyobadilika. Kwa sababu ya upanuzi wa Ulimwengu, si rahisi kuhukumu umbali wa galaksi za mbali. Nuru iliyofika miaka bilioni 13 baadaye kutoka kwa galaksi A1689-zD1, umbali wa miaka mwanga wa bilioni 3.35 (A), "hubadilika" na kudhoofika inaposafiri kupitia nafasi inayopanuka, na galaksi yenyewe inasonga mbali (B). Itakuwa na habari kuhusu umbali katika redshift (miaka bilioni 13 mwanga), katika ukubwa wa angular(miaka bilioni 3.5 ya mwanga), kwa nguvu (miaka ya mwanga bilioni 263), wakati umbali halisi ni miaka bilioni 30 ya mwanga. miaka.
Robo ya karne baadaye, fursa hii ilitumiwa kwa njia mpya na Vesto Slifer, mfanyakazi wa chumba cha uchunguzi huko Flagstaff huko Arizona, ambaye, tangu 1912, alikuwa akisoma spectra ya nebula ya ond kwa darubini ya inchi 24 na spectrograph nzuri. Ili kupata picha ya ubora wa juu, sahani sawa ya picha ilifichuliwa kwa usiku kadhaa, kwa hivyo mradi ulisonga polepole. Kuanzia Septemba hadi Desemba 1913, Slipher alisoma nebula ya Andromeda na, kwa kutumia formula ya Doppler-Fizeau, alifikia hitimisho kwamba ilikuwa inakaribia Dunia kwa kilomita 300 kila sekunde.
Mnamo 1917, alichapisha data juu ya kasi ya radial ya nebulae 25, ambayo ilionyesha asymmetries muhimu katika maelekezo yao. Nebula nne tu zilikaribia Jua, zilizobaki zilikimbia (na zingine haraka sana).
Slifer hakutafuta umaarufu na hakukuza matokeo yake. Kwa hivyo, walijulikana katika duru za unajimu tu wakati mwanasayansi maarufu wa Uingereza Arthur Eddington aliwavutia.
Mnamo 1924, alichapisha monograph juu ya nadharia ya uhusiano, ambayo ilijumuisha orodha ya kasi ya radial ya nebulae 41 iliyopatikana na Slipher. Nebula nne zile zile zilizobadilishwa rangi ya samawati zilikuwepo pale, ilhali zile 37 zilizobaki zilikuwa na mistari ya spectral iliyobadilishwa kuwa nyekundu. Kasi zao za radial zilitofautiana kati ya 150 na 1800 km/s na zilikuwa kwa wastani mara 25 zaidi ya kasi zinazojulikana za nyota wakati huo. Njia ya Milky. Hii ilipendekeza kwamba nebulae kushiriki katika harakati tofauti kuliko mianga ya "classical".
Visiwa vya Nafasi
Mwanzoni mwa miaka ya 1920, wanaastronomia wengi waliamini kwamba nebula za ond ziko kwenye ukingo wa Milky Way, na zaidi ya hapo hakukuwa na chochote ila nafasi tupu, yenye giza. Kweli, huko nyuma katika karne ya 18, wanasayansi fulani waliona vishada vikubwa vya nyota katika nebulae (Immanuel Kant aliziita ulimwengu wa kisiwa). Walakini, nadharia hii haikuwa maarufu, kwani haikuwezekana kuamua kwa uhakika umbali wa nebulae.
Tatizo hili lilitatuliwa na Edwin Hubble, akifanya kazi kwenye darubini inayoakisi inchi 100 katika Kiangalizi cha Mount Wilson cha California. Mnamo 1923-1924, aligundua kuwa nebula ya Andromeda ina vitu vingi vyenye mwanga, pamoja na nyota zinazobadilika za familia ya Cepheid. Ilikuwa tayari inajulikana kuwa kipindi cha mabadiliko katika mwangaza wao unaoonekana ni kuhusiana na mwanga kabisa, na kwa hiyo Cepheids yanafaa kwa ajili ya kupima umbali wa cosmic. Kwa msaada wao, Hubble alikadiria umbali wa Andromeda kwa vifurushi 285,000 (kulingana na data ya kisasa, ni vifurushi 800,000). Kipenyo cha Milky Way wakati huo kiliaminika kuwa takriban 100,000 parsecs (kwa kweli ni ndogo mara tatu). Ilifuata kwamba Andromeda na Milky Way lazima zichukuliwe kuwa nguzo huru za nyota. Hivi karibuni Hubble aligundua galaksi mbili huru zaidi, ambazo hatimaye zilithibitisha nadharia ya "ulimwengu wa kisiwa".
Kwa haki, ni muhimu kuzingatia kwamba miaka miwili kabla ya Hubble, umbali wa Andromeda ulihesabiwa na mtaalam wa nyota wa Kiestonia Ernst Opik, ambaye matokeo yake - parsecs 450,000 - ilikuwa karibu na moja sahihi. Walakini, alitumia mazingatio kadhaa ya kinadharia ambayo hayakuwa ya kushawishi kama uchunguzi wa moja kwa moja wa Hubble.
Mnamo 1926 Hubble zilizotumika Uchambuzi wa takwimu uchunguzi wa mia nne "nebulae za ziada" (alitumia neno hili kwa muda mrefu, akiepuka kuziita galaksi) na akapendekeza fomula ya kuhusisha umbali wa nebula na mwangaza wake dhahiri. Licha ya makosa makubwa ya njia hii, data mpya ilithibitisha kwamba nebulae husambazwa zaidi au chini kwa usawa katika nafasi na ziko mbali zaidi ya mipaka ya Milky Way. Sasa hapakuwa na shaka tena kwamba nafasi haiko tu kwa Galaxy yetu na majirani zake wa karibu.
Wabunifu wa mitindo ya nafasi
Eddington alipendezwa na matokeo ya Slipher hata kabla asili ya nebulae ond hatimaye kufafanuliwa. Kwa wakati huu, mfano wa cosmological tayari ulikuwepo, ambao kwa maana fulani ulitabiri athari iliyotambuliwa na Slipher. Eddington alifikiria sana juu yake na, kwa kawaida, hakukosa fursa ya kutoa uchunguzi wa mwanaanga wa Arizona sauti ya kikosmolojia.
Kosmolojia ya kisasa ya kinadharia ilianza mnamo 1917 na karatasi mbili za mapinduzi zinazowasilisha mifano ya ulimwengu kulingana na uhusiano wa jumla. Mojawapo iliandikwa na Einstein mwenyewe, nyingine na mwanaastronomia wa Uholanzi Willem de Sitter.
Sheria za Hubble
Edwin Hubble aligundua kwa uthabiti uwiano wa takriban wa mabadiliko mekundu na umbali wa galaksi, ambao aliugeuza kuwa uwiano kati ya kasi na umbali kwa kutumia fomula ya Doppler-Fizeau. Kwa hivyo tunashughulika na mifumo miwili tofauti hapa.
Hubble hakujua jinsi walivyohusiana, lakini sayansi ya leo inasema nini kuhusu hilo?
Kama Lemaître pia alivyoonyesha, uunganisho wa mstari kati ya cosmological (unaosababishwa na upanuzi wa Ulimwengu) mabadiliko na umbali sio kamili. Kwa mazoezi, inazingatiwa vizuri tu kwa uhamishaji chini ya 0.1. Kwa hivyo sheria ya nguvu ya Hubble sio sawa, lakini ni takriban, na fomula ya Doppler-Fizeau ni halali tu kwa mabadiliko madogo ya wigo.
Lakini sheria ya kinadharia inayounganisha kasi ya radial ya vitu vya mbali na umbali kwao (pamoja na mgawo wa uwiano katika mfumo wa parameter ya Hubble V = Hd) ni halali kwa redshift yoyote. Hata hivyo, kasi ya V inayoonekana ndani yake sio kasi kabisa ya ishara za kimwili au miili halisi katika nafasi ya kimwili. Hiki ni kiwango cha ongezeko la umbali kati ya galaksi na makundi ya galaksi, ambayo husababishwa na upanuzi wa Ulimwengu. Tungeweza kuipima tu ikiwa tungeweza kusimamisha upanuzi wa Ulimwengu, kunyoosha mara moja kanda za kupimia kati ya galaksi, kusoma umbali kati yao na kuzigawanya katika vipindi vya wakati kati ya vipimo. Kwa kawaida, sheria za fizikia haziruhusu hili. Kwa hivyo, wanasaikolojia wanapendelea kutumia parameta ya Hubble H katika fomula nyingine, ambayo ni pamoja na sababu ya ukubwa wa Ulimwengu, ambayo inaelezea kwa usahihi kiwango cha upanuzi wake kwa njia tofauti. zama za nafasi(kwa kuwa parameter hii inabadilika kwa muda, thamani yake ya sasa inaonyeshwa na H0). Ulimwengu sasa unapanuka kwa kasi, kwa hivyo thamani ya kigezo cha Hubble inaongezeka.
Kwa kupima redshifts ya cosmological, tunapata taarifa kuhusu kiwango cha upanuzi wa nafasi. Nuru ya galaksi, ambayo ilitujia na redshift z ya ulimwengu, iliiacha wakati umbali wote wa ulimwengu ulikuwa mdogo mara 1 + z kuliko wakati wetu. Maelezo ya ziada kuhusu galaksi hii, kama vile umbali wake wa sasa au kasi ya kuondolewa kutoka kwa Milky Way, yanaweza kupatikana tu kwa kutumia njia maalum. mfano wa cosmolojia. Kwa mfano, katika mfano wa Einstein-de Sitter, galaksi yenye z = 5 inakwenda mbali na sisi kwa kasi sawa na 1.1 s (kasi ya mwanga). Lakini ikiwa utafanya makosa ya kawaida na kusawazisha V / c na z tu, basi kasi hii itageuka kuwa kubwa mara tano kuliko kasi ya mwanga. Tofauti, kama tunavyoona, ni mbaya.
Utegemezi wa kasi ya vitu vya mbali kwenye redshift kulingana na STR, GTR (inategemea mfano na wakati, curve inaonyesha wakati uliopo na mtindo wa sasa). Katika uhamishaji mdogo utegemezi ni wa mstari.
Einstein, katika roho ya nyakati hizo, aliamini kwamba Ulimwengu kwa ujumla ulikuwa tuli (pia alijaribu kuifanya isiyo na mwisho katika nafasi, lakini hakuweza kupata sahihi. masharti ya mpaka kwa milinganyo yako). Matokeo yake, aliunda mfano wa Ulimwengu uliofungwa, nafasi ambayo ina curvature chanya ya mara kwa mara (na kwa hiyo ina radius ya mara kwa mara). Wakati katika Ulimwengu huu, kinyume chake, unapita kama Newton, kwa mwelekeo mmoja na kwa kasi sawa. Muda wa nafasi wa mtindo huu umepinda kwa sababu ya sehemu ya anga, wakati sehemu ya wakati haijaharibika kwa njia yoyote. Asili tuli ya ulimwengu huu hutoa "ingizo" maalum katika mlingano mkuu, ambao huzuia kuanguka kwa mvuto na kwa hivyo hufanya kama uwanja wa kupambana na mvuto ulio kila mahali. Ukali wake ni sawia na thabiti maalum, ambayo Einstein aliiita zima (sasa inaitwa mara kwa mara ya cosmological).
Kielelezo cha Lemaître cha kikosmolojia cha upanuzi wa Ulimwengu kilikuwa mbele ya wakati wake. Ulimwengu wa Lemaître huanza na Mlipuko Mkubwa, baada ya hapo upanuzi hupungua kwanza na kisha huanza kuharakisha.
Mfano wa Einstein ulifanya iwezekane kukokotoa ukubwa wa Ulimwengu, jumla ya kiasi cha maada, na hata thamani ya saizi ya saizi ya ulimwengu. Ili kufanya hivyo, tunahitaji tu wiani wa wastani wa suala la cosmic, ambalo, kwa kanuni, linaweza kuamua kutoka kwa uchunguzi. Sio bahati mbaya kwamba Eddington alipendezwa na mtindo huu na akautumia katika mazoezi na Hubble. Walakini, inaharibiwa na kutokuwa na utulivu, ambayo Einstein hakugundua tu: kwa kupotoka kidogo kwa radius kutoka kwa thamani ya usawa, ulimwengu wa Einstein hupanuka au hupitia kuanguka kwa mvuto. Kwa hiyo kwa ulimwengu halisi mtindo huu hauna uhusiano.
Dunia tupu
De Sitter pia aliunda, kama yeye mwenyewe aliamini, ulimwengu tuli wa curvature ya mara kwa mara, lakini sio chanya, lakini hasi. Ina Einstein ya mara kwa mara ya cosmological, lakini haina kabisa jambo. Wakati chembe za mtihani wa molekuli ndogo ya kiholela zinaletwa, hutawanyika na kwenda kwa infinity. Kwa kuongezea, wakati unapita polepole zaidi kwenye ukingo wa ulimwengu wa de Sitter kuliko katikati yake. Kwa sababu ya hili, mawimbi ya mwanga kutoka umbali mkubwa hufika na mabadiliko nyekundu, hata kama chanzo chao ni stationary kuhusiana na mwangalizi. Kwa hivyo katika miaka ya 1920, Eddington na wanaastronomia wengine walishangaa ikiwa kielelezo cha de Sitter kilikuwa na kitu chochote kinachofanana na ukweli ulioakisiwa katika uchunguzi wa Slipher.
Tuhuma hizi zilithibitishwa, ingawa kwa njia tofauti. Asili tuli ya ulimwengu wa de Sitter iligeuka kuwa ya kufikiria, kwani ilihusishwa na chaguo lisilofanikiwa la mfumo wa kuratibu. Baada ya kusahihisha kosa hili, nafasi ya de Sitter iligeuka kuwa gorofa, Euclidean, lakini isiyo ya tuli. Shukrani kwa uthabiti wa kikosmolojia wa kupambana na mvuto, hupanuka huku kikidumisha mkunjo wa sifuri. Kwa sababu ya upanuzi huu, urefu wa mawimbi ya fotoni huongezeka, ambayo inajumuisha mabadiliko yaliyotabiriwa na de Sitter. mistari ya spectral. Inafaa kumbuka kuwa hivi ndivyo mabadiliko ya kikosmolojia ya galaksi za mbali yanavyoelezewa leo.
Kutoka kwa takwimu hadi mienendo
Historia ya nadharia za ulimwengu zisizo za tuli huanza na karatasi mbili za mwanafizikia wa Soviet Alexander Friedman, iliyochapishwa katika jarida la Ujerumani Zeitschrift fur Physik mnamo 1922 na 1924. Friedman alihesabu mifano ya ulimwengu na tofauti ya wakati chanya na hasi curvature, ambayo ikawa mfuko wa dhahabu wa cosmology ya kinadharia. Walakini, watu wa wakati huo hawakugundua kazi hizi (hapo awali Einstein hata alizingatia karatasi ya kwanza ya Friedman kuwa na makosa ya kihesabu). Friedman mwenyewe aliamini kwamba unajimu bado hauna safu ya uchunguzi ambayo ingemruhusu mtu kuamua ni ipi kati ya mifano ya ulimwengu inayoendana zaidi na ukweli, na kwa hivyo alijiwekea hesabu safi. Labda angetenda tofauti ikiwa angesoma matokeo ya Slifer, lakini hii haikutokea.
Mwanakosmolojia mkubwa zaidi wa nusu ya kwanza ya karne ya 20, Georges Lemaitre, alifikiria tofauti. Nyumbani, huko Ubelgiji, alitetea tasnifu yake katika hisabati, na kisha katikati ya miaka ya 1920 alisoma unajimu - huko Cambridge chini ya uongozi wa Eddington na kwenye Chuo cha Harvard Observatory chini ya Harlow Shapley (wakati huko USA, ambapo alitayarisha sekunde. tasnifu huko MIT, alikutana na Slifer na Hubble). Huko nyuma mnamo 1925, Lemaître alikuwa wa kwanza kuonyesha kwamba asili tuli ya mfano wa de Sitter ilikuwa ya kufikiria. Aliporudi katika nchi yake kama profesa katika Chuo Kikuu cha Louvain, Lemaitre alijenga kielelezo cha kwanza cha ulimwengu unaopanuka kwa msingi wazi wa unajimu. Bila kutia chumvi, kazi hii ilikuwa mafanikio ya mapinduzi katika sayansi ya anga.
Mapinduzi ya Universal
Katika kielelezo chake, Lemaitre alidumisha hali ya kikosmolojia yenye thamani ya nambari ya Einsteinian. Kwa hivyo ulimwengu wake huanza hali tuli, lakini baada ya muda, kutokana na kushuka kwa thamani, huingia kwenye njia ya upanuzi wa mara kwa mara kwa kasi ya kuongezeka. Katika hatua hii hudumisha mkunjo mzuri, ambao hupungua kadiri radius inavyoongezeka. Lemaitre ni pamoja na katika muundo wa ulimwengu wake sio jambo tu, bali pia mionzi ya sumakuumeme. Wala Einstein wala de Sitter, ambaye kazi yake ilijulikana na Lemaitre, wala Friedman, ambaye alijua chochote wakati huo, hawakufanya hivi.
Kuratibu zinazohusiana
Katika mahesabu ya cosmological ni rahisi kutumia mifumo ya kuratibu inayoambatana, ambayo hupanua kwa pamoja na upanuzi wa Ulimwengu. Katika mfano ulioboreshwa, ambapo galaksi na nguzo za galaji hazishiriki katika mwendo wowote unaofaa, kuratibu zao zinazoandamana hazibadilika. Lakini umbali kati ya vitu viwili ni wakati huu wakati ni sawa na umbali wao wa mara kwa mara katika kuratibu zinazoambatana, ikizidishwa na thamani ya kipengele cha kipimo kwa wakati huu. Hali hii inaweza kuonyeshwa kwa urahisi kwenye globu ya inflatable: latitudo na longitudo ya kila nukta hazibadilika, na umbali kati ya jozi yoyote ya pointi huongezeka kwa kuongezeka kwa radius.
Kutumia comoving coordinates hutusaidia kuelewa tofauti kubwa kati ya kupanua kosmolojia ya ulimwengu, uhusiano maalum na fizikia ya Newton. Kwa hivyo, katika mechanics ya Newton harakati zote ni jamaa, na immobility kabisa haina maana ya kimwili. Kinyume chake, katika cosmology, immobility katika comoving kuratibu ni kabisa na, kimsingi, inaweza kuthibitishwa na uchunguzi. Nadharia maalum relativity inaelezea michakato katika muda wa nafasi, ambayo inawezekana, kwa kutumia mabadiliko ya Lorentz, kutenga vipengele vya anga na vya muda kwa idadi isiyo na kikomo ya njia. Wakati wa nafasi ya kikosmolojia, kinyume chake, kwa kawaida hugawanyika katika nafasi ya kupanuka iliyopinda na wakati mmoja wa ulimwengu. Katika kesi hii, kasi ya kurudi kwa galaksi za mbali inaweza kuwa mara nyingi zaidi kuliko kasi ya mwanga.
Lemaitre, huko Marekani, alipendekeza kwamba mabadiliko ya galaksi za mbali yatokee kwa sababu ya upanuzi wa nafasi, ambayo "hunyoosha" mawimbi ya mwanga. Sasa amethibitisha hilo kimahesabu. Pia alionyesha kuwa mabadiliko madogo (vitengo vidogo zaidi) yanalingana na umbali wa chanzo cha mwanga, na mgawo wa uwiano unategemea tu wakati na hubeba habari kuhusu kiwango cha sasa cha upanuzi wa Ulimwengu. Kwa kuwa fomula ya Doppler-Fizeau ilidokeza kwamba kasi ya radial ya galaksi inalingana na mshindo wake mwekundu, Lemaître alifikia hitimisho kwamba kasi hii pia inalingana na umbali wake. Baada ya kuchambua kasi na umbali wa galaksi 42 kutoka kwa orodha ya Hubble na kwa kuzingatia kasi ya ndani ya Jua, alianzisha maadili ya coefficients ya uwiano.
Kazi isiyoimbwa
Lemaitre alichapisha kazi yake mnamo 1927 kwa Kifaransa katika jarida lisilosomwa kidogo Annals of the Brussels Scientific Society. Inaaminika kuwa hii ndiyo sababu kuu iliyomfanya aende bila kutambuliwa (hata na mwalimu wake Eddington). Kweli, katika kuanguka kwa mwaka huo huo, Lemaitre aliweza kujadili matokeo yake na Einstein na kujifunza kutoka kwake kuhusu matokeo ya Friedman. Muundaji wa General Relativity hakuwa na pingamizi za kiufundi, lakini hakuamini kabisa ukweli wa kimwili wa mfano wa Lemetre (kama vile vile hapo awali hakukubali hitimisho la Friedman).
Grafu za Hubble
Wakati huo huo, mwishoni mwa miaka ya 1920, Hubble na Humason waligundua uwiano wa mstari kati ya umbali wa galaksi 24 na kasi ya radial, iliyohesabiwa (zaidi na Slipher) kutoka kwa redshifts. Hubble alihitimisha kutokana na hili kwamba kasi ya radial ya galaksi inalingana moja kwa moja na umbali wake. Mgawo wa uwiano huu sasa unaonyeshwa na H0 na inaitwa parameter ya Hubble (kulingana na data ya hivi karibuni, inazidi kidogo 70 (km / s) / megaparsec).
Makala ya Hubble yenye grafu utegemezi wa mstari kati ya kasi ya galaksi na umbali ilichapishwa mapema 1929. Mwaka mmoja mapema, mwanahisabati mdogo wa Marekani Howard Robertson, akimfuata Lemaitre, alipata utegemezi huu kutoka kwa mfano wa Ulimwengu unaopanuka, ambao Hubble anaweza kuwa anaujua. Walakini, nakala yake maarufu haikutaja mfano huu moja kwa moja au moja kwa moja. Baadaye Hubble alionyesha mashaka kwamba kasi zinazotokea katika fomula yake kwa hakika zinaelezea mienendo ya galaksi katika anga ya juu, lakini sikuzote alijiepusha na tafsiri yao mahususi. Aliona maana ya ugunduzi wake katika kuonyesha uwiano wa umbali wa galactic na mabadiliko nyekundu, akiwaacha wengine kwa wananadharia. Kwa hiyo, kwa heshima zote kwa Hubble, hakuna sababu ya kumchukulia kuwa ndiye mgunduzi wa upanuzi wa Ulimwengu.
Na bado inapanuka!
Hata hivyo, Hubble alifungua njia kwa ajili ya utambuzi wa upanuzi wa Ulimwengu na mfano wa Lemaître. Tayari mnamo 1930, mabwana wa kosmolojia kama Eddington na de Sitter walimpongeza; Baadaye kidogo, wanasayansi waliona na kuthamini kazi ya Friedman. Mnamo 1931, kwa msukumo wa Eddington, Lemaitre alitafsiri nakala yake kwa Kiingereza (kwa vipunguzi vidogo) kwa Habari za Kila Mwezi za Jumuiya ya Kifalme ya Astronomical. Katika mwaka huo huo, Einstein alikubaliana na hitimisho la Lemaître, na mwaka mmoja baadaye, pamoja na de Sitter, alijenga kielelezo cha Ulimwengu unaopanuka na nafasi tambarare na wakati uliopinda. Mfano huu, kutokana na unyenyekevu wake, umekuwa maarufu sana kati ya cosmologists kwa muda mrefu.
Mnamo mwaka wa 1931, Lemaitre alichapisha maelezo mafupi (na bila hisabati yoyote) ya mfano mwingine wa Ulimwengu, ambao ulichanganya kosmolojia na mechanics ya quantum. Katika mfano huu, wakati wa awali ni mlipuko wa atomi ya msingi (Lemaitre pia aliiita quantum), ambayo ilitoa nafasi na wakati. Kwa kuwa mvuto hupunguza kasi ya upanuzi wa Ulimwengu uliozaliwa, kasi yake inapungua - labda karibu na sifuri. Lemaitre baadaye alianzisha mara kwa mara ya cosmological katika mfano wake, ambayo ililazimisha Ulimwengu hatimaye kuingia katika utawala thabiti wa kuongeza kasi ya upanuzi. Kwa hivyo alitarajia wazo la Big Bang na mifano ya kisasa ya ulimwengu ambayo inazingatia uwepo wa nishati ya giza. Na mwaka wa 1933, alitambua mara kwa mara ya cosmological na wiani wa nishati ya utupu, ambayo hakuna mtu aliyewahi kufikiria kabla. Inashangaza tu jinsi kabla ya wakati wake mwanasayansi huyu, ambaye hakika anastahili jina la mvumbuzi wa upanuzi wa Ulimwengu, alikuwa!
Hata wanaastronomia hawaelewi ipasavyo upanuzi wa Ulimwengu. Puto inayopanda ni mlinganisho wa zamani lakini mzuri kwa upanuzi wa ulimwengu. Gala ziko juu ya uso wa mpira hazina mwendo, lakini Ulimwengu unapopanuka, umbali kati yao huongezeka, lakini saizi ya gala yenyewe haiongezeki.
Mnamo Julai 1965, wanasayansi walitangaza ugunduzi wa ishara wazi za upanuzi wa Ulimwengu kutoka kwa hali ya awali ya moto na mnene. Walipata mwanga wa baridi wa Big Bang - mionzi ya relict. Kuanzia wakati huo na kuendelea, upanuzi na baridi ya Ulimwengu uliunda msingi wa kosmolojia. Upanuzi wa Kosmolojia huturuhusu kuelewa jinsi zilivyoundwa miundo rahisi na jinsi zilivyokua polepole na kuwa ngumu. Miaka 75 baada ya ugunduzi wa upanuzi wa Ulimwengu, wanasayansi wengi hawawezi kupenya ndani yake maana ya kweli. James Peebles, mtaalamu wa anga katika Chuo Kikuu cha Princeton ambaye anachunguza miale ya asili ya microwave, aliandika hivi mwaka wa 1993: “Inaonekana kwangu kwamba hata wataalamu hawajui umuhimu na uwezo wa kielelezo cha Big Bang ni nini.”
Wanafizikia mashuhuri, waandishi wa vitabu vya kiada vya unajimu na watangazaji maarufu wa sayansi wakati mwingine hutoa tafsiri isiyo sahihi au potofu ya upanuzi wa Ulimwengu, ambayo iliunda msingi wa mfano wa Big Bang. Je, tunamaanisha nini tunaposema kwamba Ulimwengu unapanuka? Kwa hakika inasikitisha kwamba sasa kuna mazungumzo ya kuongeza kasi ya upanuzi, na inatuacha tukiwa na wasiwasi.
UHAKIKI: KUTOELEWA KWA KUPITIA
* Upanuzi wa Ulimwengu, moja ya dhana za kimsingi za sayansi ya kisasa, bado unapokea tafsiri tofauti.
* Neno "Big Bang" haipaswi kuchukuliwa halisi. Hakuwa bomu lililolipuka katikati ya ulimwengu. Ilikuwa ni mlipuko wa nafasi yenyewe ambayo ilitokea kila mahali, kama vile uso wa puto iliyochangiwa inavyopanuka.
* Kuelewa tofauti kati ya upanuzi wa anga na upanuzi wa anga ni muhimu ili kuelewa ukubwa wa Ulimwengu, kasi ambayo galaksi zinasonga mbali, pamoja na uwezo wa uchunguzi wa angani na asili ya kuongeza kasi ya upanuzi ambayo Ulimwengu unawezekana. uzoefu.
* Mfano wa Big Bang unaelezea tu kile kilichotokea baada yake.
Ugani ni nini?
Wakati kitu kinachojulikana kinapanuka, kama sehemu ya mvua au Milki ya Kirumi, huwa kubwa, mipaka yao hupanuka, na huanza kuchukua nafasi zaidi. Lakini Ulimwengu unaonekana kuwa hauna mipaka ya kimwili, na hakuna mahali pa kuhamia. Upanuzi wa Ulimwengu wetu unafanana sana na mfumuko wa bei ya puto. Umbali wa galaksi za mbali unaongezeka. Kwa kawaida, wanaastronomia husema kwamba makundi ya nyota yanasonga au yanatukimbia, lakini hayasongi angani, kama vile vipande vya “Big Bang bomu.” Kwa kweli, nafasi kati yetu na galaksi zinazosonga kwa fujo ndani ya vikundi visivyo na mwendo inapanuka. CMB hujaza Ulimwengu na hutumika kama fremu ya marejeleo, kama vile uso wa mpira wa puto, ambao mwendo unaweza kupimwa.
Nje ya mpira, tunaona kwamba upanuzi wa uso wake uliopinda wa pande mbili unawezekana tu kwa sababu iko katika nafasi ya tatu-dimensional. Katika mwelekeo wa tatu, katikati ya mpira iko, na uso wake unaenea kwa kiasi kinachozunguka. Kulingana na hili, mtu anaweza kuhitimisha kwamba upanuzi wa dunia yetu ya tatu-dimensional inahitaji uwepo wa mwelekeo wa nne katika nafasi. Lakini kulingana na nadharia ya jumla ya Einstein ya uhusiano, nafasi ni ya nguvu: inaweza kupanua, mkataba na bend.
Msongamano wa magari
Ulimwengu unajitosheleza. Hakuna kituo kinachohitajika kupanua kutoka kwake, wala nafasi ya bure Na nje(popote ilipo) kupanua huko. Kweli, baadhi nadharia za hivi karibuni, kama vile nadharia ya mfuatano, huwakilisha kuwepo kwa vipimo vya ziada, lakini sivyo vitahitajika kadri ulimwengu wetu wa pande tatu unavyopanuka.
Katika Ulimwengu wetu, kama kwenye uso wa puto, kila kitu kinasogea mbali na vingine vyote. Kwa hivyo, Mlipuko Mkubwa haukuwa mlipuko angani, bali ni mlipuko wa nafasi wenyewe ambao haukutokea mahali fulani na kisha haikupanuka katika utupu unaozunguka. Ilifanyika kila mahali kwa wakati mmoja.
PINDI MKUBWA LILIKUWAJE?
KOSA: Ulimwengu ulizaliwa wakati maada, kama bomu, ilipolipuka mahali fulani. Shinikizo lilikuwa juu katikati na chini katika utupu unaozunguka, ambayo ilisababisha dutu hii kutawanyika.
HAKI: Ilikuwa ni mlipuko wa nafasi yenyewe ambayo ilianzisha jambo. Nafasi na wakati wetu uliibuka kwenye Big Bang na kuanza kupanuka. Hakukuwa na kituo popote, kwa sababu ... hali zilikuwa sawa kila mahali, hakukuwa na tabia ya kushuka kwa shinikizo ya mlipuko wa kawaida.
Ikiwa tutafikiria kuwa tunacheza filamu kwa mpangilio wa nyuma, tutaona jinsi maeneo yote ya Ulimwengu yamebanwa, na galaksi zinaletwa karibu zaidi hadi zote zigongane kwenye Big Bang, kama magari kwenye msongamano wa magari. Lakini kulinganisha hapa sio kamili. Ikiwa kulikuwa na ajali, unaweza kuendesha gari karibu na msongamano wa magari baada ya kusikia ripoti kuihusu kwenye redio. Lakini Big Bang lilikuwa janga ambalo halingeweza kuepukika. Ni kana kwamba uso wa Dunia na barabara zote zilizo juu yake zilikuwa zimekunjamana, lakini magari yalibakia saizi ileile. Hatimaye magari yangegongana, na hakuna ujumbe wa redio ungeweza kuizuia. Hivyo ni Big Bang: ilitokea kila mahali, tofauti na mlipuko wa bomu, ambayo hutokea kwa hatua fulani, na vipande huruka pande zote.
Nadharia ya Big Bang haituambii ukubwa wa Ulimwengu au hata kama una mwisho au usio na mwisho. Nadharia ya uhusiano inaelezea jinsi kila eneo la nafasi inavyopanuka, lakini haisemi chochote kuhusu ukubwa au umbo. Wanakosmolojia wakati mwingine hudai kwamba Ulimwengu hapo awali haukuwa mkubwa kuliko zabibu, lakini wanamaanisha tu sehemu yake ambayo tunaweza kutazama sasa.
Wakazi wa nebula ya Andromeda au galaksi nyingine wana ulimwengu wao wenyewe unaoonekana. Watazamaji katika Andromeda wanaweza kuona galaksi ambazo hazipatikani kwetu kwa sababu tu ziko karibu nazo kidogo; lakini hawawezi kutafakari yale tunayozingatia. Ulimwengu wao unaoonekana pia ulikuwa saizi ya zabibu. Mtu anaweza kufikiria kwamba Ulimwengu wa mapema ulikuwa kama rundo la matunda haya, yakienea bila mwisho katika pande zote. Hii ina maana kwamba wazo kwamba Big Bang ilikuwa "ndogo" sio sahihi. Nafasi ya Ulimwengu haina kikomo. Na bila kujali jinsi unavyoipunguza, itabaki hivyo.
Haraka kuliko mwanga
Dhana potofu pia zinaweza kuhusishwa na maelezo ya kiasi cha upanuzi. Kiwango ambacho umbali kati ya galaksi huongezeka hufuata muundo rahisi uliogunduliwa na mwanaastronomia wa Marekani Edwin Hubble mwaka wa 1929: kasi ambayo galaksi husogea, v, inalingana moja kwa moja na umbali wake d kutoka kwetu, au v = Hd. Mgawo wa uwiano H unaitwa Hubble constant na huamua kasi ya upanuzi wa nafasi karibu nasi na karibu na mwangalizi yeyote katika Ulimwengu.
Kinachotatanisha watu wengine ni kwamba si galaksi zote zinazotii sheria ya Hubble. Karibu na sisi galaksi kubwa(Andromeda) kwa ujumla inasonga kuelekea kwetu, na sio mbali na sisi. Vighairi kama hivyo hutokea kwa sababu sheria ya Hubble inaelezea tu tabia ya wastani ya galaksi. Lakini kila moja yao inaweza pia kuwa na harakati zake kidogo, kwani galaksi zina ushawishi wa mvuto kwa kila mmoja, kama vile Galaxy yetu na Andromeda. Galaksi za mbali pia zina kasi ndogo ya machafuko, lakini kwa umbali mkubwa kutoka kwetu (saa umuhimu mkubwa d) kasi hizi za nasibu hazichukuliwi dhidi ya usuli wa kasi kubwa za uondoaji (v). Kwa hiyo, kwa galaksi za mbali, sheria ya Hubble imeridhika na usahihi wa juu.
Kulingana na sheria ya Hubble, Ulimwengu haupanui kwa kasi ya kudumu. Baadhi ya galaksi zinakwenda mbali na sisi kwa kasi ya kilomita 1 elfu / s, wengine, ziko mara mbili mbali, kwa kasi ya kilomita 2 elfu / s, nk. Hivyo, sheria ya Hubble inaonyesha kwamba, kuanzia umbali fulani, unaoitwa umbali wa Hubble, galaksi husogea mbali na kasi ya juu zaidi. Kwa thamani iliyopimwa ya mara kwa mara ya Hubble, umbali huu ni karibu miaka bilioni 14 ya mwanga.
Lakini je, nadharia ya Einstein ya uhusiano maalum haisemi kwamba hakuna kitu kinachoweza kusafiri haraka kuliko kasi ya mwanga? Swali hili limesumbua vizazi vingi vya wanafunzi. Na jibu ni kwamba nadharia maalum ya uhusiano inatumika tu kwa kasi "ya kawaida" - kwa harakati katika nafasi. Katika sheria ya Hubble tunazungumzia kuhusu kasi ya uondoaji unaosababishwa na upanuzi wa nafasi yenyewe, na si kwa harakati katika nafasi. Athari hii ya uhusiano wa jumla haiko chini ya uhusiano maalum. Uwepo wa kasi ya uondoaji wa juu kuliko kasi ya mwanga haukiuki nadharia maalum ya uhusiano kwa njia yoyote. Bado ni kweli kwamba hakuna mtu anayeweza kupata mwangaza wa mwanga.
JE, MALASI INAWEZA KUONDOA KWA KASI KASI KULIKO KASI YA MWANGA?
KOSA: Nadharia ya sehemu ya Einstein ya uhusiano inakataza hili. Fikiria eneo la nafasi iliyo na galaksi kadhaa. Kwa sababu ya upanuzi wake, galaksi zinasonga mbali na sisi. Vipi galaksi inayofuata, kasi yake zaidi (mishale nyekundu). Ikiwa kasi ya mwanga ni kikomo, basi kasi ya kuondolewa inapaswa hatimaye kuwa mara kwa mara.
HAKI: Bila shaka wanaweza. Nadharia ya sehemu ya uhusiano haizingatii kasi ya kuondolewa. Kasi ya kuondolewa huongezeka sana na umbali. Zaidi ya umbali fulani, unaoitwa umbali wa Hubble, unazidi kasi ya mwanga. Hii sio ukiukwaji wa nadharia ya uhusiano, kwani kuondolewa hakusababishwa na harakati katika nafasi, lakini kwa upanuzi wa nafasi yenyewe.
JE, INAWEZEKANA KUONA MALASI YANAKWENDA KASI KULIKO MWANGA?
KOSA: Bila shaka hapana. Nuru kutoka kwa galaksi kama hizo huruka nayo. Hebu galaksi iwe zaidi ya umbali wa Hubble (tufe), i.e. inasonga mbali nasi kasi ya kasi Sveta. Inatoa photon (iliyowekwa alama ya njano). Fotoni inaporuka angani, nafasi yenyewe hupanuka. Umbali kuelekea Duniani huongezeka kwa kasi zaidi kuliko mwendo wa fotoni. Haitatufikia kamwe.
HAKI: Bila shaka unaweza, kwa kuwa kiwango cha upanuzi kinabadilika kwa wakati. Kwanza, photon inachukuliwa na upanuzi. Hata hivyo, umbali wa Hubble sio mara kwa mara: huongezeka, na hatimaye photon inaweza kuingia kwenye nyanja ya Hubble. Hili likitokea, fotoni itasonga kwa kasi zaidi kuliko Dunia inavyosogea, na itaweza kutufikia.
Kunyoosha picha
Uchunguzi wa kwanza unaoonyesha kwamba Ulimwengu unapanuka ulifanywa kati ya 1910 na 1930. Katika maabara, atomi hutoa na kunyonya mwanga, daima katika urefu maalum wa mawimbi. Vile vile huzingatiwa katika mwonekano wa galaksi za mbali, lakini kwa kuhama kwa urefu wa mawimbi marefu. Wanaastronomia wanasema mionzi ya galaxi imebadilishwa kuwa nyekundu. Maelezo ni rahisi: nafasi inapopanuka, wimbi la mwanga huenea na kwa hivyo hudhoofika. Ikiwa wakati wa wimbi la mwanga lilitufikia, Ulimwengu ulipanua mara mbili, kisha urefu wa wimbi uliongezeka mara mbili, na nishati yake ilipungua kwa nusu.
DHANI YA UCHOVU
Kila wakati Scientific American inachapisha makala kuhusu cosmology, wasomaji wengi wanatuandikia kwamba wanafikiri galaksi hazisongi mbali nasi na kwamba upanuzi wa anga ni udanganyifu. Wanaamini kwamba mabadiliko katika mwonekano wa galaksi husababishwa na kitu kama "uchovu" kutoka kwa safari ndefu. Baadhi mchakato usiojulikana husababisha mwanga, kuenea kupitia nafasi, kupoteza nishati na kwa hiyo kugeuka nyekundu.
Dhana hii ni zaidi ya karne ya nusu, na kwa mtazamo wa kwanza inaonekana kuwa ya busara. Lakini haiendani kabisa na uchunguzi. Kwa mfano, wakati nyota inalipuka kama supernova, inawaka na kisha kufifia. Mchakato mzima huchukua takriban wiki mbili kwa supernovae ya aina ambayo wanaastronomia hutumia kuamua umbali wa galaksi. Katika kipindi hiki cha muda, supernova hutoa mkondo wa fotoni. Dhana ya uchovu wa mwanga inasema kwamba fotoni zitapoteza nishati njiani, lakini mwangalizi bado atapokea mkondo wa fotoni hudumu wiki mbili.
Walakini, katika kupanua nafasi, sio tu picha zenyewe zimenyooshwa (na kwa hivyo hupoteza nishati), lakini mtiririko wao pia umeinuliwa. Kwa hiyo, inachukua zaidi ya wiki mbili kwa fotoni zote kufika Duniani. Uchunguzi unathibitisha athari hii. Mlipuko wa supernova kwenye gala yenye redshift ya 0.5 huzingatiwa kwa wiki tatu, na katika gala yenye redshift ya 1 - mwezi.
Nadharia ya uchovu mwanga pia inakinzana na uchunguzi wa wigo wa mionzi ya usuli ya microwave na vipimo vya mwangaza wa uso wa galaksi za mbali. Ni wakati wa kustaafu "nuru iliyochoka" (Charles Lineweaver na Tamara Davis).
Supernovae, kama hii katika kundi la galaksi ya Virgo, husaidia kupima upanuzi wa ulimwengu. Tabia zao zinazozingatiwa zinatawala nadharia mbadala za cosmological ambayo nafasi haina kupanua.
Mchakato unaweza kuelezewa kwa hali ya joto. Fotoni zinazotolewa na mwili zina usambazaji wa nishati, ambayo kwa ujumla ina sifa ya joto, ambayo inaonyesha jinsi mwili ulivyo moto. Fotoni zinaposonga kwenye nafasi inayopanuka, hupoteza nishati na halijoto yake hupungua. Kwa hivyo, Ulimwengu unapopanuka, hupoa, kama vile hewa iliyobanwa inayotoka kwenye tanki la mpiga mbizi. Kwa mfano, mionzi ya asili ya microwave sasa ina joto la karibu 3 K, ambapo ilizaliwa kwa joto la karibu 3000 K. Lakini tangu wakati huo, Ulimwengu umeongezeka kwa ukubwa kwa mara 1000, na joto la fotoni limeongezeka. ilipungua kwa kiasi sawa. Kwa kutazama gesi katika galaksi za mbali, wanaastronomia wanapima moja kwa moja joto la mionzi hii katika siku za nyuma za mbali. Vipimo vinathibitisha kuwa Ulimwengu unapoa kwa wakati.
Pia kuna utata kuhusu uhusiano kati ya redshift na kasi. Ubadilishaji mwekundu unaosababishwa na upanuzi mara nyingi huchanganyikiwa na ubadilishaji mwekundu unaojulikana zaidi unaosababishwa na athari ya Doppler, ambayo kwa kawaida hufanya mawimbi ya sauti kuwa marefu chanzo cha sauti kikiondoka. Ndivyo ilivyo kwa mawimbi ya mwanga, ambayo huwa marefu kadri chanzo cha mwanga kinavyosogea angani.
Doppler redshift na redshift cosmological ni mambo tofauti kabisa na yanaelezwa fomula mbalimbali. Ya kwanza inafuata kutoka kwa nadharia maalum ya uhusiano, ambayo haizingatii upanuzi wa nafasi, na ya pili inafuata kutoka kwa nadharia ya jumla ya uhusiano. Fomula hizi mbili zinakaribia kufanana kwa galaksi zilizo karibu, lakini tofauti kwa zile za mbali.
Kwa mujibu wa formula ya Doppler, ikiwa kasi ya kitu katika nafasi inakaribia kasi ya mwanga, basi redshift yake huwa na infinity, na urefu wa wavelength unakuwa mrefu sana na kwa hiyo hauonekani. Ikiwa hii ilikuwa kweli kwa galaksi, basi za mbali zaidi vitu vinavyoonekana angani wangeweza kupungua kwa kasi inayoonekana chini ya kasi ya mwanga. Lakini formula ya cosmological ya redshift inaongoza kwa hitimisho tofauti. Ndani ya modeli ya kawaida ya kikosmolojia, galaksi zilizo na mabadiliko nyekundu ya karibu 1.5 (yaani, urefu unaokubalika wa mionzi yao ni 50% kubwa zaidi. thamani ya maabara) wanasogea mbali kwa kasi ya mwanga. Wanaastronomia tayari wamegundua takriban galaksi 1000 zenye mwendo mwekundu zaidi ya 1.5. Hii ina maana kwamba tunajua kuhusu vitu 1000 ambavyo vinasonga mbali kwa kasi zaidi kuliko kasi ya mwanga. CMB inatoka umbali mkubwa zaidi na ina redshift ya karibu 1000. Wakati plasma ya moto ya Ulimwengu mchanga ilipotoa mionzi tunayopokea leo, ilikuwa ikisonga mbali nasi karibu mara 50 zaidi ya kasi ya mwanga.
Kukimbia mahali
Ni vigumu kuamini kwamba tunaweza kuona galaksi zikisonga kwa kasi zaidi kuliko kasi ya mwanga, lakini hii inawezekana kutokana na mabadiliko katika kasi ya upanuzi. Hebu wazia mwangaza ukija kwetu kutoka umbali mkubwa kuliko umbali wa Hubble (miaka bilioni 14 ya mwanga). Inasogea kwetu kwa kasi ya mwanga kuhusiana na eneo lake, lakini yenyewe inaondoka kwetu kwa kasi zaidi kuliko kasi ya mwanga. Ingawa nuru hukimbia kuelekea kwetu haraka iwezekanavyo, haiwezi kuendana na upanuzi wa nafasi. Ni kama mtoto anayejaribu kukimbia kinyumenyume kwenye eskaleta. Picha kwenye umbali wa Hubble husafiri haraka iwezekanavyo ili kubaki mahali pamoja.
Unaweza kufikiri kwamba mwanga kutoka maeneo ya mbali zaidi kuliko umbali wa Hubble hauwezi kamwe kutufikia na hatungewahi kuuona. Lakini umbali wa Hubble haubaki mara kwa mara, kwani Hubble mara kwa mara ambayo inategemea mabadiliko na wakati. Thamani hii ni sawia na kasi ambayo galaksi mbili zinasonga, zimegawanywa na umbali kati yao. (Galaksi zozote mbili zinaweza kutumika kukokotoa.) Katika mifano ya Ulimwengu inayolingana na uchunguzi wa astronomia, denominator huongezeka kwa kasi zaidi kuliko nambari, hivyo mara kwa mara Hubble hupungua. Kwa hivyo, umbali wa Hubble huongezeka. Ikiwa ndivyo, nuru ambayo mwanzoni haikutufikia inaweza hatimaye kuja ndani ya umbali wa Hubble. Kisha fotoni zitaishia katika eneo linalopungua polepole kuliko kasi ya mwanga, baada ya hapo zitaweza kutufikia.
JE, SHIFT NYEKUNDU YA COSMIC KWELI NI MABADILIKO YA DOPPLER?
KOSA: Ndiyo, kwa sababu galaksi zinazopungua husogea angani. Katika athari ya Doppler, mawimbi ya mwanga hunyoosha (kuwa mekundu) wakati chanzo chao kinaposonga mbali na mwangalizi. Urefu wa mawimbi ya mwanga haubadiliki inaposafiri angani. Mtazamaji hupokea mwanga, hupima mabadiliko yake nyekundu na huhesabu kasi ya galaksi.
HAKI: Hapana, redshift haina uhusiano wowote na athari ya Doppler. Galaxy ni karibu haina mwendo katika nafasi, hivyo inatoa mwanga urefu sawa mawimbi katika pande zote. Wakati wa safari, urefu wa wimbi unakuwa mrefu kadiri nafasi inavyopanuka. Kwa hiyo, mwanga hatua kwa hatua hugeuka nyekundu. Mtazamaji hupokea mwanga, hupima mabadiliko yake nyekundu na huhesabu kasi ya galaksi. Ubadilishaji nyekundu wa ulimwengu ni tofauti na zamu ya Doppler, kama inavyothibitishwa na uchunguzi.
Hata hivyo, galaksi iliyotuma nuru inaweza kuendelea kuondoka kwa kasi ya juu zaidi. Kwa hivyo, tunaweza kuona mwanga kutoka kwa galaksi ambazo, kama hapo awali, daima zitaondoka kwa kasi zaidi kuliko kasi ya mwanga. Kwa kifupi, umbali wa Hubble haujawekwa na hauonyeshi kwetu mipaka ya Ulimwengu unaoonekana.
Ni nini hasa kinachoashiria mpaka wa nafasi inayoonekana? Kuna mkanganyiko fulani hapa pia. Ikiwa nafasi haikuwa imepanuliwa, basi tunaweza sasa kuona kitu cha mbali zaidi kwa umbali wa miaka bilioni 14 ya mwanga kutoka kwetu, i.e. umbali ambao mwanga umesafiri katika miaka bilioni 14 tangu Big Bang. Lakini Ulimwengu unapopanuka, nafasi iliyopitiwa na fotoni ilipanuka wakati wa safari yake. Kwa hiyo, umbali wa sasa kwa kitu cha mbali zaidi kinachoonekana ni takriban mara tatu zaidi - karibu miaka bilioni 46 ya mwanga.
Wanacosmolojia walikuwa wakifikiri kwamba tunaishi katika Ulimwengu unaopungua na kwa hiyo tunaweza kuona galaksi zaidi na zaidi. Walakini, katika Ulimwengu unaoongeza kasi, tumezingirwa na mpaka ambao nje yake hatutawahi kuona matukio yakifanyika - huu ndio upeo wa matukio ya ulimwengu. Ikiwa mwanga kutoka kwa galaksi unasonga mbali kwa kasi zaidi kuliko kasi ya mwanga kutufikia, basi umbali wa Hubble utaongezeka. Lakini katika Ulimwengu unaoongeza kasi, ongezeko lake ni marufuku. Tukio la mbali linaweza kutuma mwangaza kuelekea kwetu, lakini nuru hiyo itasalia milele kupita kikomo cha umbali cha Hubble kutokana na kuongeza kasi ya upanuzi.
Kama tunavyoona, Ulimwengu unaoongeza kasi unafanana na shimo nyeusi, ambalo pia lina upeo wa tukio, kutoka nje ambayo hatupati ishara. Umbali wa sasa wa upeo wa macho wa matukio ya ulimwengu (miaka bilioni 16 ya mwanga) uko ndani ya eneo letu linaloweza kuonekana. Nuru inayotolewa na galaksi ambayo sasa iko mbali zaidi kuliko upeo wa matukio ya ulimwengu haitaweza kutufikia kamwe, kwa sababu umbali, ambao kwa sasa unalingana na miaka bilioni 16 ya mwanga, utapanuka haraka sana. Tutaweza kuona matukio ambayo yalifanyika katika galaksi kabla ya kuvuka upeo wa macho, lakini hatutawahi kujua kuhusu matukio yaliyofuata.
Je! kila kitu kinapanuka katika Ulimwengu?
Mara nyingi watu hufikiri kwamba ikiwa nafasi itapanuka, basi kila kitu ndani yake kinapanuka pia. Lakini hii si kweli. Upanuzi kama huo (yaani kwa hali, bila kuongeza kasi au kupunguza kasi) hautoi nguvu yoyote. Urefu wa urefu wa fotoni huongezeka na ukuaji wa Ulimwengu, kwani, tofauti na atomi na sayari, picha sio vitu vilivyounganishwa, saizi zake ambazo zimedhamiriwa na usawa wa nguvu. Kasi ya mabadiliko ya upanuzi huleta nguvu mpya katika usawa, lakini haiwezi kusababisha vitu kupanua au kupunguzwa.
Kwa mfano, ikiwa mvuto ulikuwa na nguvu, yako uti wa mgongo ingepungua hadi elektroni kwenye mgongo kufikia nafasi mpya ya usawa, kidogo rafiki wa karibu kwa rafiki. Urefu wako ungepungua kidogo, lakini compression ingeishia hapo. Vivyo hivyo, ikiwa tungeishi katika Ulimwengu ulio na nguvu nyingi za uvutano, kama vile wanasaikolojia wengi waliamini miaka michache iliyopita, basi upanuzi ungepungua, na miili yote ingekuwa chini ya mgandamizo dhaifu, na kuilazimisha kufikia usawa mdogo. ukubwa. Lakini, baada ya kuifikia, hawatapungua tena.
ULIMWENGU UNAOANGALIWA NI KUBWA GANI?
KOSA: Ulimwengu una umri wa miaka bilioni 14, kwa hiyo sehemu yake inayoonekana lazima iwe na radius ya miaka ya mwanga bilioni 14. Fikiria galaksi za mbali zaidi za kuonekana - zile ambazo fotoni zake, zilizotolewa mara baada ya Big Bang, zimefikia sasa tu. sisi. Mwaka mwepesi ni umbali unaosafirishwa na fotoni katika mwaka mmoja. Hii ina maana kwamba photon imesafiri miaka bilioni 14 ya mwanga
HAKI: Nafasi inapopanuka, eneo linaloangaliwa lina eneo kubwa zaidi ya miaka bilioni 14 ya mwanga. Fotoni inaposafiri, nafasi inayopita hupanuka. Kufikia wakati inatufikia, umbali wa galaksi iliyoitoa inakuwa kubwa kuliko kuhesabiwa tu kutoka kwa wakati wa kukimbia - takriban mara tatu zaidi.
Kwa kweli, upanuzi unaongezeka kwa kasi, ambayo husababishwa na nguvu dhaifu, "inflating" miili yote. Kwa hiyo, vitu vilivyofungwa ni kubwa kidogo kwa ukubwa kuliko ambavyo vingekuwa katika Ulimwengu usio na kasi, kwa kuwa hufikia usawa kwa ukubwa mkubwa kidogo. Juu ya uso wa Dunia, mchapuko unaoelekezwa nje, mbali na katikati ya sayari, ni sehemu ndogo ($10^(-30)$) ya mchapuko wa kawaida wa mvuto kuelekea katikati. Ikiwa kuongeza kasi hii ni mara kwa mara, basi haitasababisha Dunia kupanua. Ni kwamba sayari inachukua saizi kubwa kidogo kuliko ingekuwa bila nguvu ya kuchukiza.
Lakini kila kitu kitabadilika ikiwa kuongeza kasi sio mara kwa mara, kama wanasaikolojia wengine wanavyoamini. Ikiwa msukumo unaongezeka, inaweza hatimaye kusababisha kuanguka kwa miundo yote na kusababisha "Mpasuko Mkubwa", ambao hautatokea kwa sababu ya upanuzi au kuongeza kasi kwa kila seti, lakini kwa sababu uongezaji kasi ungeongeza kasi.
JE, VITU ULIMWENGUNI PIA VINAPANUA?
KOSA: Ndiyo. Upanuzi husababisha Ulimwengu na kila kitu kilicho ndani yake kukua zaidi. Hebu tuzingatie nguzo ya galaksi kama kitu. Kadiri Ulimwengu unavyokuwa mkubwa, ndivyo nguzo inavyoongezeka. Mpaka wa nguzo (mstari wa njano) unapanuka.
HAKI: Hapana. Ulimwengu unapanuka, lakini vitu vilivyounganishwa ndani yake havifanyi hivyo. Magalaksi ya jirani mwanzoni husogea mbali, lakini hatimaye mvuto wao wa pande zote hushinda upanuzi huo. Nguzo huundwa kwa saizi inayolingana na hali yake ya usawa.
Vipimo vipya na sahihi vinavyowasaidia wanacosmolojia kuelewa vyema upanuzi na kuongeza kasi, wanaweza kuuliza maswali ya kimsingi zaidi kuhusu matukio ya awali na mizani kubwa zaidi ya ulimwengu. Ni nini kilisababisha upanuzi huo? Wanasaikolojia wengi wanaamini kwamba mchakato unaoitwa mfumuko wa bei, aina maalum ya kuongeza kasi ya upanuzi, ni lawama. Lakini labda hili ni jibu la sehemu tu: ili ianze, inaonekana kwamba Ulimwengu lazima tayari umekuwa ukipanuka. Vipi kuhusu mizani mikubwa zaidi ya mipaka ya uchunguzi wetu? Je, sehemu mbalimbali za Ulimwengu zinapanuka kwa njia tofauti, hivi kwamba Ulimwengu wetu ni kiputo cha wastani cha mfumuko wa bei katika ulimwengu mkuu mkuu? Hakuna anayejua. Lakini tunatumai kwamba baada ya muda tutaweza kupata ufahamu wa mchakato wa upanuzi wa Ulimwengu.
KUHUSU WAANDISHI:
Charles H. Lineweaver na Tamara M. Davis ni wanaastronomia katika Mount Stromlo Observatory ya Australia. Mwanzoni mwa miaka ya 1990. katika Chuo Kikuu cha California huko Berkeley, Lineweaver alikuwa sehemu ya timu ya wanasayansi waliogundua mabadiliko katika mionzi ya mandharinyuma ya microwave kwa kutumia setilaiti ya COBE. Alitetea tasnifu yake sio tu juu ya unajimu, bali pia juu ya historia na fasihi ya Kiingereza. Davis anafanya kazi katika kuunda uchunguzi wa anga Supernova/Acceleration Probe (Supernova na Mtafiti wa Kuharakisha).
MAELEZO KWA MAKALA "VIFANIKIO VYA PIGO KUBWA"
Profesa Anatoly Vladimirovich Zasov, fizikia. Kitivo cha Chuo Kikuu cha Jimbo la Moscow: Sintofahamu zote ambazo waandishi wa makala wanabishana nazo zinahusiana na ukweli kwamba kwa uwazi, mara nyingi wao huzingatia upanuzi wa ujazo mdogo wa Ulimwengu katika mfumo dhabiti wa marejeleo (na upanuzi wa eneo dogo la kutosha. usizingatie tofauti ya kupita kwa wakati Duniani na katika galaksi za mbali katika mfumo wa kuhesabu wa Dunia). Kwa hivyo wazo la mlipuko, mabadiliko ya Doppler, na machafuko yaliyoenea na kasi ya harakati. Waandishi huandika, na kuandika kwa usahihi, jinsi kila kitu kinavyoonekana katika mfumo usio wa inertial (unaoandamana) wa kuratibu, ambao wanasaikolojia hufanya kazi, ingawa kifungu hicho hakisemi hii moja kwa moja (kimsingi, umbali na kasi zote hutegemea uchaguzi wa chombo. mfumo wa kumbukumbu, na hapa kila wakati kuna usuluhishi fulani). Kitu pekee ambacho hakijaandikwa kwa uwazi ni kwamba haijafafanuliwa nini maana ya umbali katika Ulimwengu unaopanuka. Kwanza, waandishi wanaona kuwa kasi ya mwanga huzidishwa na wakati wa uenezi, na kisha wanasema kwamba ni muhimu pia kuzingatia upanuzi, ambao uliondoa galaksi hata zaidi wakati mwanga ulikuwa njiani. Kwa hivyo, umbali tayari unaeleweka kama kasi ya mwanga inavyozidishwa na wakati wa uenezi ambao ingechukua ikiwa galaksi itaacha kusonga na kutoa mwanga sasa. Kwa kweli, kila kitu ni ngumu zaidi. Umbali ni wingi unaotegemea mfano na hauwezi kupatikana moja kwa moja kutoka kwa uchunguzi, kwa hivyo wanasaikolojia hufanya vizuri bila hiyo, wakibadilisha na redshift. Lakini labda mbinu kali zaidi haifai hapa.
Ulimwengu unapanuka. Lakini kwa maana fulani, upanuzi bado haujazingatiwa moja kwa moja: wananadharia wanajenga mifano mbalimbali ili kuielezea, lakini hatuoni jinsi vitu vya nafasi kwa wakati halisi vinakuwa mbali zaidi na zaidi.
Usahihi wa uchunguzi unahitaji kuboreshwa sana, na kwa teknolojia ya sasa tutalazimika kusubiri karne nyingi, au angalau miongo kadhaa, ili kukusanya data inayoonyesha mchakato huu.
Ili kuunda kielelezo kinachoonyesha upanuzi wa Ulimwengu, kwa kawaida tunalinganisha Ulimwengu unaopanuka na puto inayopuliza. Wakati huo huo, tunadhani kwamba "eneo la uchunguzi" lote linapatikana kwetu kabisa na kwa papo hapo. Kwa kweli, kadiri galaksi iliyo mbali zaidi inavyoonekana, ndivyo inavyochukua muda mrefu zaidi kwa mwanga wake kufikia retina ya macho yetu. Kwa hivyo, wakati wa kutoa mwanga huu, galaji ilionekana kuwa juu ya uso wa mpira "uliochangiwa kidogo". Makundi ya nyota ya mbali zaidi ambayo tumeona yanaonekana wakati ambapo "mpira" ulikuwa mdogo sana. Kwa hiyo, kutokana na kasi ya mwisho ya mwanga, tunaona picha iliyopotoka sana ya ulimwengu unaotuzunguka.
Kipengele maalum cha kielelezo hiki cha Ulimwengu unaopanuka ni aina ya "mwonekano kutoka nje." Ni kana kwamba tunaangalia kutoka kwa mwelekeo wa "ziada", na kwa kuongeza tunaona kila kitu mara moja, tukichunguza michakato kwa kutumia "saa ya ulimwengu", ambayo ni kwamba, tunafunika Ulimwengu wote mara moja, tukipokea habari kwa kasi isiyo na kikomo. Huu "mtazamo wa Mungu" haupatikani kwa mtazamaji wa kawaida.
Tuko Duniani, ndani ya Ulimwengu. Ishara huja kwetu kwa kasi ya mwisho - kasi ya mwanga. Kwa hivyo, tunaona vitu vya mbali kama ilivyokuwa zamani. Katika astronomia, redshift ni mabadiliko ya wigo kuelekea nyekundu. Jambo hili linaweza kuwa onyesho la athari ya Doppler, mvuto nyekundu, au michanganyiko yake. Ubadilishaji mwekundu wa kikosmolojia unaosababishwa na upanuzi wa nafasi katika Ulimwengu na mabadiliko nyekundu (au urujuani) yanayohusiana na athari ya Doppler kutokana na harakati mwenyewe galaksi.
Kufuatia ugunduzi wa redshift katika mwonekano wa galaksi za mbali, ilipendekezwa kuwa ilisababishwa na kitu kama "uchovu wa kusafiri": mchakato fulani usiojulikana husababisha fotoni kupoteza nishati zinaposonga mbali na chanzo cha mwanga na kwa hivyo "hubadilika kuwa nyekundu."
Lakini nadharia hii haikubaliani na uchunguzi. Kwa mfano, wakati nyota inalipuka kama supernova, inawaka na kisha kufifia. Aina ya 1a supernovae, inayotumiwa kuamua umbali wa galaksi, ina wakati wa kuoza wa karibu wiki mbili. Katika kipindi hiki cha muda, idadi fulani ya fotoni hutolewa. Nadharia ya "uchovu" inasema kwamba wakati wa safari watapoteza nishati, lakini mwangalizi bado ataona mkondo wa photons kudumu wiki mbili. Katika nafasi ya kupanua, sio tu photons wenyewe "zimepigwa" (kutokana na ambayo hupoteza nishati), lakini pia mtiririko wao. Kwa hiyo, inachukua zaidi ya wiki mbili kwa wote "kufika" duniani.
Kuna matatizo mawili na umbali katika cosmology: kila kitu iko mbali sana na kila mmoja na huenda haraka. Wakati mwanga unafikia mwangalizi kutoka kwa chanzo, umbali wao utabadilika sana. Wakati huo huo, umbali wa vitu "sasa hivi" hauwezi kupimwa kipimo cha moja kwa moja, kwa kuwa utaratibu huu unachukua muda mfupi (na, kwa ujumla, kubwa kabisa) unaohusishwa na uenezi wa ishara: hatuoni vitu vya mbali kama vilivyo kwa sasa. Hii inachanganya kila kitu, kwa sababu, kwa kutumia uzoefu wa kila siku, tumezoea kufikiria kila kitu "kama ilivyo sasa." Katika kosmolojia, tunaweza tu kuhesabu umbali na kasi "sasa hivi" ndani ya mfumo wa muundo fulani, au kuzipata kwa "njia ya kuzunguka", lakini bila kutumia. mbinu za kisasa uchunguzi.
Ulimwengu unapopanuka, eneo lake linaloweza kuonekana sasa lina eneo la zaidi ya miaka bilioni 14 ya mwanga. Nuru inaposafiri, nafasi inayopita hupanuka. Kufikia wakati inatufikia, umbali wa galaksi iliyoitoa inakuwa kubwa kuliko kuhesabiwa tu kutoka kwa wakati wa "kusafiri" wa fotoni (takriban ya pili).
Watu wengi hukumbuka matukio ya jana bora kuliko siku iliyotangulia jana, lakini hawakumbuki hata wiki moja iliyopita. Lakini kumbukumbu zingine za utoto na ujana huangaza kwao, kana kwamba yote yalitokea jana. Ikiwa tunachukua galaksi kama yetu, inageuka kuwa hadi umbali fulani (na wakati wa kuangalia vitu vya mbali, tunaangalia katika siku za nyuma!) Itaonekana ndogo na ndogo. Lakini basi - tazama! - ukubwa unaoonekana utaanza kuongezeka. Hii ni kwa sababu nuru kutoka kwenye galaksi iliyoangaliwa ilitolewa wakati Ulimwengu ulipokuwa mchanga, tulipokuwa karibu zaidi. Kwa mtiririko huo, umbali wa angular kwa vitu vya mbali hubadilika kwa njia ile ile ya kushangaza. Pembe kati ya miale ya mwanga haibadiliki inapoenea katika ulimwengu "tambarare". Kwa hiyo, umbali wa angular kwa kitu cha nafasi inategemea tu jinsi ilivyokuwa wakati wa utoaji.
Umbali wako mwenyewe - umbali wa kimwili kati ya vitu. Inabadilika kulingana na upanuzi wa Ulimwengu. Umbali, ambao kwa kawaida hutajwa katika makala na habari zote, ni sawa na njia ya mwanga iliyosafirishwa kutoka kwenye chanzo tangu wakati wa utoaji. Ni takriban sawa na yake kwa kiasi si masafa marefu, ambapo wakati wa uenezi wa ishara Ulimwengu haukuwa na wakati wa kupanua dhahiri. Viwianishi vinavyohusishwa vimeunganishwa na kuratibu gridi ya taifa, kupanuka pamoja na upanuzi wa Ulimwengu. Msimamo wa vitu vinavyohusiana nayo bado haujabadilika, wakati umbali unaofaa kati yao huongezeka kwa mujibu wa mabadiliko katika kipengele cha kiwango. Ni muhimu kwamba umbali wa angular ni sawa na umbali wa ndani wakati wa utoaji wa mionzi.
Hadi sasa, upeo wa macho umeinuka kama "mstari ambapo dunia inakutana na anga." Kadiri uelewa wetu wa Ulimwengu ulivyoboreka, "upeo" zaidi na zaidi ulianza kuonekana katika msamiati wa wanasayansi, ambao haukuwezekana kufanikiwa (ikiwa tu kwa sababu ya kiwango cha juu). kasi iwezekanavyo katika ulimwengu wetu ni mdogo na kasi ya mwanga). Upeo wa chembe ni nyanja inayopanuka, radius ambayo imedhamiriwa na umbali wa chanzo cha mbali zaidi, kwa kanuni inayoonekana kwa wakati fulani kwa wakati (tunazungumza juu ya umbali wako wa kitu wakati wa kupokea fotoni. , na sio wakati wa utoaji). Upeo kama huo hauwezi kufafanuliwa kama kasi ya mwanga inayozidishwa na wakati baada ya upanuzi kuanza, kwani wakati fotoni inasafiri, ulimwengu unapanuka. Lakini ikiwa tunazungumza juu ya chembe kama galaksi ambazo ziliibuka wakati fulani sio mapema sana katika mageuzi ya ulimwengu, basi upeo kama huo pia utakuwa katika mifano ya kuongeza kasi. Pia ipo katika Ulimwengu wetu. Umbali wa upeo wa macho wa tukio ni umbali (kwa sasa) hadi kwenye chembe ambayo mawimbi yetu ya mwanga yaliyotumwa sasa hivi yanaweza kufikia. Tunaona galaksi zikihama kwa rangi nyekundu karibu 1.8. Mwangaza kutoka kwa galaksi hizo huchukua miaka bilioni 10 kutufikia.
Wakati wa utoaji, walikuwa miaka bilioni 5.7 ya mwanga kutoka kwetu (umbali wao wenyewe wakati wa utoaji). Sasa wako umbali wa miaka ya nuru bilioni 16.1 (umbali wao wenyewe kwa sasa), na ishara tuliyotuma kwao haitawafikia kamwe isipokuwa mienendo ya Ulimwengu ibadilike kimsingi katika siku zijazo. Kinyume chake, hatutawahi kuona matukio yanayotokea ndani yao sasa.
Inatokea kwamba umbali wa upeo wa macho wa tukio unalingana na umbali wa galaksi kama hizi kwa sasa, lakini tunaziona sasa kama zilivyokuwa huko nyuma! Kwa maana hii, hatutaona upeo wa matukio, lakini tunaweza kusema kwamba nafasi yake inalingana na nafasi ya kisasa ya galaksi tunayoona kwenye redshift 1.8. Kulingana na sheria ya Hubble, kasi ambayo vitu vya mbali hupungua inalingana moja kwa moja na umbali wao. Hapa tunazungumza juu ya kiwango cha mabadiliko ya umbali wa mtu mwenyewe kwa sasa.
Umbali ambao kasi ya kushuka ni sawa na kasi ya mwanga unaitwa "Hubble tufe". Kuna vyanzo ambavyo, wakati wa utoaji na kwa sasa, viko nje ya mipaka yake, ambayo ni, kasi yao ya kutoroka ni kubwa kuliko kasi ya mwanga wakati huo na sasa.
Katika modeli ya sasa ya kikosmolojia (yenye mchango wa nishati giza wa takriban 70%), vyanzo vyote vilivyoangaliwa vilivyo na mabadiliko nyekundu zaidi ya takriban 1.5 kwa sasa vinasonga mbali nasi kwa kasi zaidi kuliko kasi ya mwanga. Hiyo ni kasi ya jamaa pointi ziko kwa umbali mkubwa kutoka kwa kila mmoja hazizuiliwi na kasi ya mwanga.
Katika ulimwengu dhahania uliosimama wenye mwanzo kwa wakati, upeo wa chembe ni tufe inayopanuka kwa kasi ya mwanga. Ikiwa, miaka bilioni 5 baada ya "uumbaji" wa ulimwengu huu, mwangalizi anaonekana katika moja ya galaxi, kwake upeo huu wa chembe utageuka kuwa tufe yenye radius ya miaka bilioni 5 ya mwanga. Katika miaka bilioni nyingine, radius yake itakuwa miaka bilioni 6 ya mwanga, nk.
Wacha tufikirie fotoni ya kwanza iliyotolewa kwa "wakati sifuri". Kwa kasi yake ya harakati, sawa na kasi ya mwanga, huongezwa kasi ya upanuzi wa nafasi. Wakati wa kuwepo kwa Ulimwengu, picha hii iliondoka mahali pa utoaji wake hadi umbali wa miaka bilioni 46 ya mwanga (iliruka karibu miaka bilioni 13.7 ya mwanga "peke yake", iliyobaki kutokana na upanuzi wa Ulimwengu). Hivyo, bila kuzingatia kiwango cha upanuzi, ingechukua miaka bilioni 46 ili kufikia umbali huo. CMB ilitokea wakati Ulimwengu ulikuwa na umri wa miaka 380 elfu. Redshift inayoambatana ni 1089. Leo, umbali unaofaa kwa chanzo kilichotoa mionzi hii ni karibu miaka bilioni 46 ya mwanga.
Mtazamaji anaweza tu kuona sehemu ya mwisho ya ulimwengu wake. Haiwezekani sisi kujua Ulimwengu ulivyo zaidi ya upeo wa sasa wa chembe. Ikiwa nafasi itaendelea kupanuka kwa kasi, basi hata katika siku zijazo za mbali haitawezekana kuangalia jinsi Ulimwengu unavyoonekana zaidi ya upeo wa chembe. Na darubini zetu haziwezi "kuangalia" katika enzi wakati anga ya nje ilijazwa na plasma na haikuwa na fotoni za bure.
Kulingana na nyenzo za Sergei Popov na Alexey Toporensky, iliyoandaliwa na Sergei RYABOSHAPKO, Samara
NYUMBANI
Jua letu na nyota zilizo karibu nalo ni sehemu ya kundi kubwa la nyota linaloitwa Galaxy yetu, au Milky Way. Kwa muda mrefu iliaminika kuwa huu ndio Ulimwengu wote. Na mnamo 1924 tu, mwanaastronomia wa Marekani Edwin Hubble alionyesha kuwa Galaxy yetu sio pekee. Kuna galaksi nyingine nyingi, zilizotenganishwa na safu kubwa za nafasi tupu. Ili kuthibitisha hilo, Hubble ilimbidi kupima umbali hadi kwenye makundi mengine ya nyota. Tunaweza kuamua umbali wa nyota zilizo karibu zaidi kwa kurekodi mabadiliko katika nafasi zao katika anga wakati Dunia inazunguka Jua. Lakini, tofauti na nyota zilizo karibu, galaksi nyingine ziko mbali sana hivi kwamba zinaonekana bila kusonga. Kwa hivyo, Hubble alilazimika kutumia njia zisizo za moja kwa moja za kupima umbali.
Hivi sasa, mwangaza unaoonekana wa nyota unategemea mambo mawili - mwangaza halisi na umbali kutoka kwa Dunia. Kwa nyota zilizo karibu zaidi, tunaweza kupima mwangaza na umbali unaoonekana, ambayo inaruhusu sisi kuhesabu mwangaza wao. Kinyume chake, kwa kujua mwangaza wa nyota katika makundi mengine ya nyota, tunaweza kuhesabu umbali wao kwa kupima mwangaza wao. Hubble aliteta kuwa aina fulani za nyota huwa na mwanga sawa kila mara zinapokuwa katika umbali ulio karibu na sisi ili kuruhusu vipimo. Baada ya kugundua nyota zinazofanana katika galaksi nyingine, tunaweza kudhani kwamba wana mwanga sawa. Hii itaturuhusu kuhesabu umbali wa galaksi nyingine. Ikiwa tutafanya hivi kwa nyota kadhaa kwenye gala na maadili yanayotokana yanafanana, basi tunaweza kuwa na ujasiri kabisa katika matokeo yetu. Kwa njia sawa Edwin Hubble aliweza kukokotoa umbali hadi kwenye galaksi tisa tofauti.
Leo tunajua kwamba Galaxy yetu ni mojawapo tu ya galaksi bilioni mia kadhaa zinazoangaliwa kwa darubini za kisasa, ambazo kila moja inaweza kuwa na mamia ya mabilioni ya nyota. Tunaishi katika Galaxy ambayo kipenyo chake ni kama miaka laki moja ya mwanga. Inazunguka polepole, na nyota katika mikono yake ya ond hufanya karibu mapinduzi moja kuzunguka kituo chake kila miaka milioni mia. Jua letu ni la kawaida zaidi, la ukubwa wa kati nyota ya njano karibu na makali ya nje ya moja ya mikono ya ond. Bila shaka, tumetoka mbali sana tangu enzi za Aristotle na Ptolemy, wakati Dunia ilizingatiwa kuwa kitovu cha Ulimwengu.
Nyota ziko mbali sana nasi hivi kwamba zinaonekana kuwa nuru ndogo tu. Hatuwezi kutofautisha ukubwa au sura zao. Wanasayansi wanaziainishaje? Kwa idadi kubwa ya nyota, parameter moja tu ambayo inaweza kuzingatiwa imedhamiriwa kwa uhakika - rangi yao.
mionzi. Newton aligundua hilo wakati alipitia prism mwanga wa jua hugawanyika katika seti yake ya msingi ya rangi (wigo), sawa na ile ya upinde wa mvua. Kwa kulenga darubini kwenye nyota maalum au galaksi, unaweza kuona wigo wa mwanga kutoka kwa kitu hicho. Nyota tofauti zina mwonekano tofauti, lakini mwangaza wa jamaa wa rangi ya mtu binafsi katika wigo karibu kila wakati unalingana na ule unaoweza kugunduliwa katika mwanga wa vitu vya moto sana. Hii inaruhusu mtu kuhesabu joto lake kutoka kwa wigo wa nyota. Kwa kuongezea, katika wigo wa nyota mtu anaweza kugundua kutokuwepo kwa rangi fulani, na rangi hizi ni tofauti kwa kila nyota. Inajulikana kuwa kila kipengele cha kemikali huchukua seti ya rangi tabia yake. Hivyo, kwa kutambua mistari ambayo haipo katika wigo wa utoaji wa nyota, tunaweza kubainisha kwa usahihi vipengele vya kemikali vilivyomo katika safu yake ya nje.
Ilianza miaka ya 1920. Kwa kuchunguza mwonekano wa nyota katika makundi mengine ya nyota, wanaastronomia waligundua ukweli wa kushangaza: hawakuwa na seti sawa ya mistari ya rangi kama nyota za Galaxy yetu, lakini mistari yote ilihamishwa kwa kiwango sawa kuelekea sehemu nyekundu ya wigo. . Maelezo pekee ya busara yalikuwa kwamba galaksi zinasonga mbali na sisi na hii husababisha kupungua kwa mzunguko wa mawimbi ya mwanga (kinachojulikana kama mabadiliko nyekundu) kwa sababu ya athari ya Doppler.
Sikiliza kelele za magari kwenye barabara kuu. Gari inapokaribia kwako, sauti ya injini yake inakuwa ya juu zaidi katika mzunguko. mawimbi ya sauti na inafanywa chini wakati gari linaondolewa. Kitu kimoja kinatokea kwa mwanga au mawimbi ya redio. Hakika, athari ya Doppler hutumiwa na polisi wa trafiki, kuamua kasi ya gari kwa kubadilisha mzunguko wa ishara ya redio iliyotumwa na kupokea (mabadiliko ya mzunguko inategemea kasi ya kitu cha kutafakari, yaani, gari).
Baada ya Hubble kugundua kuwepo kwa makundi mengine ya nyota, alianza kuandaa orodha ya umbali wao na kutazama mandhari yao. Wakati huo, wengi waliamini kuwa galaksi zilisogea kabisa kwa machafuko na, kwa hivyo, kwa idadi sawa yao, spectra inapaswa kupatikana ambayo ilikuwa na mabadiliko nyekundu na mabadiliko ya bluu. Hebu wazia mshangao wa jumla ilipogunduliwa kwamba galaksi zote zinaonyesha mabadiliko mekundu. Kila mmoja wao huenda mbali na sisi. La kushangaza zaidi ni matokeo yaliyochapishwa na Hubble mnamo 1929: hata thamani ya redshift ya kila gala sio nasibu, lakini inalingana na umbali kati ya galaji na mfumo wa Jua. Kwa maneno mengine, kadiri galaksi inavyokuwa mbali zaidi na sisi, ndivyo inavyosonga mbali zaidi.
Hii ilimaanisha kwamba Ulimwengu haungeweza kuwa tuli, kama ilivyofikiriwa hapo awali; kwa kweli, ulikuwa unapanuka. Umbali kati ya galaksi unakua kila wakati. Ugunduzi kwamba Ulimwengu unapanuka ukawa moja ya mapinduzi kuu ya kiakili ya karne ya 20. Ukiangalia nyuma, ni rahisi kushangaa kwa nini hakuna mtu aliyefikiria hii hapo awali. Newton na wengine walipaswa kutambua kwamba Ulimwengu uliosimama ungeanguka haraka chini ya ushawishi wa mvuto. Lakini fikiria kwamba Ulimwengu haujasimama, lakini unapanuka. Kwa viwango vya chini vya upanuzi, nguvu ya mvuto ingeisimamisha mapema au baadaye na kuanza kukandamiza. Hata hivyo, ikiwa kiwango cha upanuzi kilizidi thamani fulani muhimu, basi nguvu ya uvutano haitoshi kuizuia na Ulimwengu ungepanuka milele. Kitu kama hicho hutokea wakati roketi inaporushwa.
kutoka kwenye uso wa Dunia. Ikiwa roketi haitafikia kasi inayohitajika, mvuto itaizuia na itaanza kurudi nyuma. Kwa upande mwingine, kwa kasi ya juu ya thamani fulani muhimu (karibu 11.2 km / s), nguvu za mvuto hazitaweza kushikilia roketi karibu na Dunia, na itaondoka milele kutoka kwa sayari yetu.
Tabia kama hiyo ya Ulimwengu inaweza kutabiriwa kulingana na Sheria ya Newton mvuto wa ulimwengu wote nyuma katika karne ya 19, na katika karne ya 18, hata katika marehemu XVII V. Walakini, imani ya Ulimwengu uliosimama haikutikisika hivi kwamba ilidumu hadi mwanzoni mwa karne ya 20. Einstein mwenyewe, mnamo 1915, alipounda nadharia ya jumla ya uhusiano, alibaki na hakika juu ya hali ya utulivu ya Ulimwengu. Hakuweza kuachana na wazo hili, hata alirekebisha nadharia yake kwa kuanzisha kile kinachojulikana kama mara kwa mara ya cosmological katika equations. Thamani hii ilionyesha nguvu fulani ya antigravity, ambayo, tofauti na nguvu nyingine zote za kimwili, haikutoka kwa chanzo maalum, lakini "imejengwa" ndani ya kitambaa cha muda wa nafasi. Utulivu wa kikosmolojia ulitoa muda wa nafasi mwelekeo wa asili wa kupanuka, na hili lingeweza kufanywa ili kusawazisha mvuto wa pamoja wa vitu vyote vilivyopo katika Ulimwengu, yaani, kwa ajili ya kusimama kwa Ulimwengu. Inaonekana kwamba katika miaka hiyo mtu mmoja tu alikuwa tayari kukubali nadharia ya jumla ya uhusiano kwa thamani ya uso. Wakati Einstein na wanafizikia wengine walikuwa wakitafuta njia ya kukwepa asili isiyo ya msimamo ya Ulimwengu, ambayo ilifuata kutoka kwa nadharia ya jumla ya uhusiano, Mwanafizikia wa Kirusi Alexander Friedman badala yake alitoa maelezo yake mwenyewe.
MIFANO YA FRIEDMAN
Milinganyo ya uhusiano wa jumla ambayo inaelezea mageuzi ya Ulimwengu ni changamano mno kusuluhishwa kwa kina.
Kwa hivyo Friedman alipendekeza kufanya mawazo mawili rahisi badala yake:
(1) Ulimwengu unafanana kabisa pande zote;
(2) sharti hili ni halali kwa nukta zake zote.
Kulingana na uhusiano wa jumla na mawazo haya mawili sahili, Friedman aliweza kuonyesha kwamba hatupaswi kutarajia ulimwengu kuwa tulivu. Kwa kweli, alitabiri kwa usahihi katika 1922 kile Edwin Hubble aligundua miaka kadhaa baadaye.
Dhana ya kwamba Ulimwengu inaonekana sawa katika pande zote, bila shaka, si kweli kabisa kwa ukweli. Kwa mfano, nyota za Galaxy yetu huunda bendi ya mwanga inayoonekana wazi katika anga ya usiku inayoitwa Milky Way. Lakini tukigeuza macho yetu kwa galaksi za mbali, idadi yao inayozingatiwa katika mwelekeo tofauti inageuka kuwa takriban sawa. Kwa hivyo Ulimwengu unaonekana kuwa sawa katika pande zote unapotazamwa kwenye mizani ya ulimwengu kulinganishwa na umbali kati ya galaksi.
Kwa muda mrefu hii ilionekana kuwa uhalali wa kutosha kwa dhana ya Friedman - makadirio mabaya kwa Ulimwengu halisi. Walakini, hivi majuzi, ajali ya kufurahisha ilithibitisha kwamba dhana ya Friedman inaelezea ulimwengu wetu kwa usahihi wa kushangaza. Mnamo 1965, wanafizikia wa Kiamerika Arno Penzias na Robert Wilson walifanya kazi katika maabara ya Bell huko New Jersey kwenye kipokezi cha microwave kisicho na hisia kwa mawasiliano na satelaiti bandia zinazozunguka. Walikuwa na wasiwasi sana kwamba mpokeaji alikuwa akiinua kelele zaidi kuliko inavyopaswa, na kwamba kelele hiyo haikutoka upande wowote. Walianza kutafuta sababu ya kelele hiyo kwa kuondoa antena yao kubwa ya pembe kutoka kwa kinyesi cha ndege kilichorundikana ndani yake na kuondoa hitilafu zinazoweza kutokea. Walijua kwamba kelele yoyote ya anga inakuzwa wakati antena haijaelekezwa moja kwa moja juu, kwa sababu anga huonekana kuwa nene inapotazamwa kwa pembe kutoka kwa wima.
Kelele za ziada zilibaki vile vile bila kujali antena iligeuzwa upande gani, hivyo chanzo cha kelele kilipaswa kuwa nje ya anga. Kelele zilibaki bila kubadilika mchana na usiku kwa mwaka mzima, licha ya kuzunguka kwa Dunia kuzunguka mhimili wake na kuzunguka Jua. Hii iliashiria kuwa chanzo cha mionzi hiyo kilikuwa nje ya mfumo wa jua na hata nje ya galaksi yetu, vinginevyo nguvu ya ishara ingebadilika kwani antena iligeuka kuwa inatazama pande tofauti kulingana na harakati za Dunia.
Kwa hakika, sasa tunajua kwamba mionzi iliyokuwa njiani kuja kwetu ilipaswa kuvuka Ulimwengu wote unaoonekana. Kwa kuwa ni sawa katika mwelekeo tofauti, basi Ulimwengu lazima uwe sawa katika pande zote (angalau kwa kiwango kikubwa). Tunajua kwamba haijalishi ni mwelekeo gani tunaotazama, miale ya cosmic "kelele ya mandharinyuma" hubadilika-badilika kwa si zaidi ya 1/10,000. Kwa hiyo Penzias na Wilson walipata uthibitisho sahihi kabisa wa nadharia ya kwanza ya Friedman.
Karibu wakati huo huo, wanafizikia wengine wawili wa Kiamerika kutoka Chuo Kikuu cha Princeton kilicho karibu huko New Jersey, Bob Dick na Jim Peebles, pia walipendezwa na mionzi ya microwave ya ulimwengu. Walifanya kazi kwa nadharia ya George (George) Gamow, ambaye hapo awali alikuwa mwanafunzi wa Alexander Friedman, kwamba katika hatua ya mwanzo ya maendeleo yake Ulimwengu ulikuwa mnene sana na moto, ukiwashwa moto " joto nyeupe" Dick na Peebles walihitimisha kwamba bado tunaweza kuona mwangaza wake wa zamani kwa sababu nuru kutoka sehemu za mbali zaidi za Ulimwengu wa mapema ndiyo kwanza inafika Duniani. Walakini, kwa sababu ya upanuzi wa Ulimwengu, taa hii inaonekana imepitia mabadiliko makubwa nyekundu ambayo inapaswa sasa kutambuliwa na sisi kwa njia ya mionzi ya microwave. Dick na Peebles walikuwa wakitafuta tu miale hiyo wakati Penzias na Wilson, waliposikia kuhusu kazi yao, waligundua kwamba tayari walikuwa wamepata walichokuwa wakitafuta. Kwa ugunduzi huu, Penzias na Wilson walitunukiwa Tuzo ya Nobel ya 1978 katika Fizikia, ambayo inaonekana kuwa si haki kwa Dick na Peebles.
Kwa mtazamo wa kwanza, ushahidi huu kwamba Ulimwengu unaonekana sawa katika pande zote unaonyesha kwamba Dunia inachukua nafasi maalum katika Ulimwengu. Kwa mfano, mtu anaweza kufikiria kwamba kwa kuwa galaksi zote zinasonga mbali nasi, sisi tuko katikati kabisa ya anga. Walakini, kuna maelezo mbadala: Ulimwengu unaweza kuonekana sawa katika pande zote na kutoka kwa gala nyingine yoyote. Hili, kama ilivyotajwa tayari, lilikuwa wazo la pili la Friedman.
Hatuna ushahidi wa kuunga mkono au kukanusha dhana hii. Tunaikubali kwa imani kwa unyenyekevu tu. Ingekuwa ndani shahada ya juu ingeshangaza ikiwa ulimwengu ungeonekana sawa katika pande zote zinazotuzunguka, lakini sio karibu na sehemu nyingine yoyote. Katika mfano wa Friedmann, galaksi zote zinasonga mbali kutoka kwa kila mmoja. Hebu fikiria puto yenye madoa yaliyopakwa kwenye uso wake. Wakati puto imechangiwa, umbali kati ya matangazo yoyote mawili huongezeka, lakini hakuna hata mmoja wao anayeweza kuitwa katikati ya upanuzi. Zaidi ya hayo, kadiri matangazo yanavyotengana zaidi, ndivyo yanavyosonga kwa kasi kutoka kwa kila mmoja. Vile vile, katika mfano wa Friedman, kasi ya kurudi kwa galaksi zozote mbili ni sawia na umbali kati yao. Inafuata kwamba mabadiliko ya rangi nyekundu ya galaksi inapaswa kuwa sawia moja kwa moja na umbali wao kutoka kwa Dunia, ambayo ni nini Hubble aligundua.
Licha ya ukweli kwamba mfano wa Friedman ulifanikiwa na ikawa sawa na matokeo ya uchunguzi wa Hubble, ilibakia karibu haijulikani Magharibi kwa muda mrefu. Walijifunza juu yake tu baada ya 1935. Mwanafizikia wa Marekani Howard Robertson na mwanahisabati Mwingereza Arthur Walker walitengeneza mifano sawa ili kueleza upanuzi sare wa Ulimwengu uliogunduliwa na Hubble.
Ingawa Friedman alipendekeza mtindo mmoja tu, mifano mitatu tofauti inaweza kujengwa kulingana na mawazo yake mawili ya kimsingi. Katika ya kwanza yao (ambayo ni yale ambayo Friedman alitengeneza), upanuzi hutokea polepole sana mvuto wa mvuto kati ya galaksi polepole huipunguza hata zaidi, na kisha kuisimamisha. Kisha galaksi huanza kuelekea kwa kila mmoja, na Ulimwengu unaingia. Umbali kati ya galaksi mbili za jirani huongezeka kwanza kutoka sifuri hadi kiwango cha juu, na kisha hupungua tena hadi sifuri.
Katika suluhisho la pili, kiwango cha upanuzi ni cha juu sana kwamba mvuto hauwezi kamwe kuuzuia, ingawa huipunguza kwa kiasi fulani. Mgawanyiko wa galaksi za jirani katika mfano huu huanza kwa umbali wa sifuri, na kisha hutawanyika kwa kasi ya mara kwa mara. Hatimaye, kuna suluhisho la tatu, ambalo kiwango cha upanuzi wa Ulimwengu kinatosha tu kuzuia ukandamizaji wa reverse, au kuanguka. Katika kesi hii, mgawanyiko pia huanza kutoka sifuri na huongezeka kwa muda usiojulikana. Walakini, kasi ya upanuzi inapungua kila wakati, ingawa haifiki sifuri.
Kipengele cha ajabu cha aina ya kwanza ya mfano wa Friedmann ni kwamba Ulimwengu sio usio katika nafasi, lakini nafasi haina mipaka. Mvuto katika kesi hii ni nguvu sana hivi kwamba nafasi hujifunga yenyewe kama uso wa Dunia. Mtu anayesafiri kando ya uso wa dunia katika mwelekeo mmoja hajawahi kukutana na kikwazo kisichoweza kushindwa na hana hatari ya kuanguka kutoka "makali ya Dunia", lakini anarudi tu kwenye hatua ya kuanzia. Hii ni nafasi katika mfano wa kwanza wa Friedman, lakini badala ya vipimo viwili vilivyomo kwenye uso wa dunia, ina tatu. Mwelekeo wa nne - wakati - una upeo wa mwisho, lakini unaweza kufananishwa na mstari wenye kingo mbili au mipaka, mwanzo na mwisho. Kisha, tutaonyesha kwamba mchanganyiko wa masharti ya nadharia ya jumla ya uhusiano na kanuni ya kutokuwa na uhakika ya mechanics ya quantum inaruhusu ukomo wa nafasi na wakati wakati huo huo hawana mipaka au mipaka. Wazo la msafiri wa anga kuzunguka Ulimwengu na kurudi kwenye hatua yake ya kuanzia ni nzuri kwa hadithi za uwongo za kisayansi, lakini hazina thamani ya vitendo, kwani - na hii inaweza kuthibitishwa - Ulimwengu utapungua hadi sifuri kabla ya msafiri kurudi. mahali pa kuanzia. Ili kurudi mahali pa kuanzia kabla Ulimwengu haujakoma kuwepo, mtu huyu maskini lazima aende kwa kasi zaidi kuliko mwanga, ambayo, ole, sheria za asili zinazojulikana kwetu haziruhusu.
Ni mfano gani wa Friedman unaolingana na Ulimwengu wetu? Je, upanuzi wa Ulimwengu utakoma, na kutoa nafasi kwa mgandamizo, au utaendelea milele? Ili kujibu swali hili, tunahitaji kujua kiwango cha upanuzi wa Ulimwengu na msongamano wake wa wastani kwa sasa. Ikiwa msongamano huu ni chini ya thamani fulani muhimu iliyobainishwa na kasi ya upanuzi, mvuto wa mvuto utakuwa dhaifu sana kuzuia kurudi nyuma kwa galaksi. Ikiwa msongamano ni mkubwa kuliko thamani muhimu, mvuto utasimamisha upanuzi mapema au baadaye na ukandamizaji wa kinyume utaanza.
Tunaweza kubainisha kiwango cha sasa cha upanuzi kwa kupima kasi ambayo galaksi nyingine zinasogea kutoka kwetu, kwa kutumia athari ya Doppler. Hii inaweza kufanyika kwa usahihi wa juu. Walakini, umbali wa galaksi haujulikani sana, kwani tunapima kwa kutumia njia zisizo za moja kwa moja. Tunajua jambo moja: Ulimwengu unapanuka kwa takriban 5-10% kila miaka bilioni. Hata hivyo, makadirio yetu ya msongamano wa sasa wa mata katika Ulimwengu yanakabiliwa na kutokuwa na uhakika zaidi.
Ikiwa tutaongeza wingi wa nyota zote katika galaksi zetu na nyingine zinazoonekana kwetu, jumla itakuwa chini ya mia moja ya thamani ambayo ni muhimu kusimamisha upanuzi wa Ulimwengu hata kwa kasi yake ndogo zaidi. Hata hivyo, tunajua kwamba galaksi zetu na nyingine zina kiasi kikubwa cha mambo ya giza, ambayo hatuwezi kuchunguza moja kwa moja, ushawishi ambao, hata hivyo, hugunduliwa kupitia athari yake ya mvuto kwenye obiti za nyota na gesi ya galactic. Zaidi ya hayo, galaksi nyingi huunda makundi makubwa, na mtu anaweza kudhani kuwepo kwa zaidi zaidi jambo la giza kati ya galaksi katika makundi haya kwa athari inayo kwenye mwendo wa galaksi. Lakini hata kuongeza jambo hili la giza, bado tunapata sehemu ya kumi ya kile kinachohitajika ili kuacha upanuzi. Hata hivyo, inawezekana kwamba kuna aina nyingine za maada ambazo bado hazijatambuliwa na sisi, ambazo zinaweza kuinua wastani wa msongamano wa Ulimwengu kwa thamani muhimu ambayo inaweza kusimamisha upanuzi.
Kwa hiyo, uthibitisho uliopo unaonyesha kwamba Ulimwengu utapanuka milele. Lakini usiweke bet juu yake. Tunaweza tu kuwa na uhakika kwamba ikiwa Ulimwengu umekusudiwa kuporomoka, hii haitatokea mapema zaidi ya makumi ya mabilioni ya miaka kutoka sasa, kwani imekuwa ikipanuka kwa angalau kipindi sawa cha wakati. Kwa hivyo hakuna haja ya kuwa na wasiwasi kabla ya wakati. Tukishindwa kutulia nje ya mfumo wa jua, ubinadamu utaangamia muda mrefu kabla ya hapo, pamoja na nyota yetu, Jua.
BIG BANG
Kipengele cha tabia ya suluhisho zote zinazotokana na mfano wa Friedman ni kwamba, kulingana na wao, katika siku za nyuma, miaka bilioni 10 au 20 iliyopita, umbali kati ya galaksi za jirani kwenye Ulimwengu unapaswa kuwa sifuri. Kwa wakati huu kwa wakati, unaoitwa Big Bang, msongamano wa Ulimwengu na mkunjo wa muda wa nafasi ulikuwa mkubwa sana. Hii inamaanisha kuwa nadharia ya jumla ya uhusiano, ambayo suluhisho zote za mfano wa Friedmann zinategemea, inatabiri uwepo wa nukta maalum, ya umoja katika Ulimwengu.
Nadharia zetu zote za kisayansi zimejengwa juu ya dhana kwamba muda wa angani ni laini na unakaribia kuwa tambarare, kwa hivyo zote huchanganuliwa katika umaalum (umoja) wa Big Bang, ambapo mpindo wa muda wa angani hauna kikomo. Hii ina maana kwamba hata kama baadhi ya matukio yalitokea kabla ya Big Bang, hayawezi kutumiwa kubainisha kilichotokea baadaye, kwa sababu utabiri wote wakati wa Big Bang ulivunjwa. Ipasavyo, kwa kujua tu kile kilichotokea baada ya Mlipuko Mkubwa, hatuwezi kubaini kilichotokea kabla yake. Kama inavyotumika kwetu, matukio yote kabla ya Big Bang hayana matokeo yoyote, na kwa hivyo hayawezi kuwa sehemu ya mfano wa kisayansi wa Ulimwengu. Tunapaswa kuwatenga kutoka kwa mfano na kusema kwamba wakati ulianza na Big Bang.
Watu wengi hawapendi wazo la kwamba wakati una mwanzo, labda kwa sababu unapiga hatua ya kimungu. (Upande mwingine, kanisa la Katoliki walimkamata kwa mtindo wa Big Bang na mwaka wa 1951 alitangaza rasmi kwamba mtindo huu unapatana na Biblia.) Majaribio yamefanywa ili kuepuka hitimisho kwamba kulikuwa na Big Bang wakati wote. Nadharia hiyo ilipokea msaada mkubwa zaidi ulimwengu wa stationary. Ilipendekezwa mnamo 1948 na Hermann Bondi na Thomas Gold, waliokimbia kutoka Austria iliyotawaliwa na Nazi, pamoja na Briton Fred Hoyle, ambaye alifanya kazi nao wakati wa vita kuboresha rada. Wazo lao lilikuwa kwamba kadiri galaksi zinavyosonga, galaksi mpya hufanyizwa kila mara kutoka kwa maada mpya katika nafasi kati yao. Ndio maana Ulimwengu unaonekana takriban sawa wakati wote, na vile vile kutoka kwa sehemu yoyote ya anga.
Nadharia ya Ulimwengu uliosimama ilihitaji mabadiliko kama haya katika nadharia ya jumla ya uhusiano ambayo ingeruhusu malezi ya mara kwa mara ya jambo jipya, lakini kiwango cha malezi yake kilikuwa cha chini sana - karibu moja. chembe ya msingi kwa kilomita za ujazo kwa mwaka - kwamba wazo la Bondi, Gold na Hoyle halikupingana na data ya majaribio. Nadharia yao ilikuwa "sawa," yaani, ilikuwa rahisi vya kutosha na ilitoa utabiri wazi ambao ungeweza kujaribiwa kwa majaribio. Utabiri mmoja kama huo ulikuwa kwamba idadi ya galaksi au vitu vinavyofanana na gala katika ujazo wowote wa anga itakuwa sawa popote na wakati wowote tulipotazama katika Ulimwengu.
Mwishoni mwa miaka ya 1950 - mapema miaka ya 1960. kundi la wanaastronomia kutoka Cambridge, wakiongozwa na Martin Ryle, walichunguza vyanzo vya utoaji wa redio katika anga za juu. Ilibadilika kuwa vyanzo vingi hivi vinapaswa kuwa nje ya Galaxy yetu na kwamba kuna dhaifu zaidi kati yao kuliko vile vikali. Vyanzo dhaifu vilizingatiwa kuwa mbali zaidi, na vyanzo vikali vilizingatiwa karibu. Jambo lingine likawa dhahiri: idadi ya vyanzo vya karibu kwa kila kitengo ni chini ya zile za mbali.
Hii inaweza kumaanisha kuwa tuko katikati ya eneo kubwa ambapo msongamano wa vyanzo vya redio ni chini sana kuliko katika Ulimwengu wote. Au ukweli kwamba zamani, wakati mawimbi ya redio yalipoanza tu safari yao kwetu, kulikuwa na vyanzo vingi vya mionzi kuliko sasa. Maelezo yote ya kwanza na ya pili yalipingana na nadharia ya Ulimwengu uliosimama. Zaidi ya hayo, iligunduliwa na Penzias na Wilson mnamo 1965 mionzi ya microwave pia ilionyesha kwamba wakati fulani huko nyuma Ulimwengu lazima ulikuwa na mengi msongamano wa juu. Kwa hivyo nadharia ya Ulimwengu uliosimama ilizikwa, ingawa sio bila majuto.
Jaribio lingine la kukwepa hitimisho kwamba kulikuwa na Big Bang na wakati una mwanzo lilifanywa mnamo 1963 na wanasayansi wa Soviet Evgeniy Lifshits na Isaac Khalatnikov. Walipendekeza kwamba Mlipuko Mkubwa unaweza kuwakilisha kipengele fulani cha pekee cha miundo ya Friedmann, ambayo, baada ya yote, ni makadirio tu ya Ulimwengu halisi. Pengine, kati ya mifano yote ambayo takriban inaelezea Ulimwengu halisi, ni mifano ya Friedmann pekee iliyo na umoja wa Big Bang. Katika mifano hii, galaksi hutawanyika angani kwa mistari iliyonyooka.
Kwa hiyo, haishangazi kwamba wakati fulani katika siku za nyuma wote walikuwa iko katika hatua moja. Katika Ulimwengu halisi, hata hivyo, galaksi hutawanyika sio kwenye mistari iliyonyooka, lakini kwenye njia zilizopinda kidogo. Kwa hivyo katika nafasi ya awali walikuwa iko katika zaidi ya moja hatua ya kijiometri, lakini karibu sana kwa kila mmoja. Kwa hiyo inaonekana uwezekano kwamba Ulimwengu wa sasa unaopanuka haukutokana na umoja wa Big Bang, lakini kutoka kwa awamu ya awali ya mkazo; wakati wa kuporomoka kwa Ulimwengu, sio chembe zote zililazimika kugongana; zingine ziliweza kuzuia mgongano wa moja kwa moja na kuruka kando, na kuunda picha ya upanuzi wa Ulimwengu tunayoona leo. Je, tunaweza kusema kwamba Ulimwengu halisi ulianza na Mlipuko Mkubwa?
Lifshitz na Khalatnikov walisoma mifano ya Ulimwengu ambayo ilikuwa takriban sawa na ya Friedman, lakini walizingatia inhomogeneities na usambazaji wa nasibu wa kasi ya gala katika Ulimwengu halisi. Walionyesha kuwa mifano kama hiyo inaweza pia kuanza na Big Bang, hata kama galaksi hazitawanyika kwa mistari madhubuti iliyonyooka. Hata hivyo, Lifshitz na Khalatnikov walisema kwamba hii inawezekana tu katika mifano fulani maalum, ambapo galaxi zote zinatembea kwa mstari wa moja kwa moja.
Kwa kuwa kuna aina nyingi zaidi kama za Friedman ambazo hazina umoja wa Big Bang kuliko zile zilizomo, wanasayansi walisababu, ni lazima tuhitimishe kwamba uwezekano wa Mlipuko Kubwa ni mdogo sana. Walakini, baadaye walilazimika kutambua kwamba darasa la mifano kama ya Friedmann, ambayo ina umoja na ambayo galaksi hazipaswi kusonga kwa njia fulani, ni kubwa zaidi. Na mnamo 1970 waliacha nadharia yao kabisa.
Kazi iliyofanywa na Lifshitz na Khalatnikov ilikuwa ya thamani kwa sababu ilionyesha kwamba ulimwengu ungeweza kuwa na umoja—Mlipuko Mkubwa—ikiwa uhusiano wa jumla ulikuwa sahihi. Walakini, hawakuruhusu muhimu suala muhimu: Je, uhusiano wa jumla unatabiri kwamba ulimwengu wetu lazima uwe ulikuwa na Big Bang, mwanzo wa wakati? Jibu la hili lilitolewa na mbinu tofauti kabisa, iliyopendekezwa kwa mara ya kwanza Mwanafizikia wa Kiingereza Roger Penrose mwaka wa 1965. Penrose alitumia tabia ya kinachojulikana kama koni nyepesi katika nadharia ya uhusiano na ukweli kwamba mvuto daima husababisha mvuto kuonyesha kwamba nyota zinazoanguka chini ya mvuto wao wenyewe zimefungwa ndani ya eneo ambalo mipaka yake hupungua hadi vipimo vya sifuri. Hii ina maana kwamba maswala yote ya nyota yamebanwa katika nukta moja ya ujazo wa sifuri, ili msongamano wa maada na mkunjo wa muda wa nafasi kuwa usio na kipimo. Kwa maneno mengine, kuna umoja uliomo katika eneo la muda wa anga unaojulikana kama shimo jeusi.
Kwa mtazamo wa kwanza, hitimisho la Penrose halikusema chochote kuhusu kama umoja wa Big Bang ulikuwepo hapo awali. tatizo la hisabati, ambayo ingeniwezesha kukamilisha tasnifu yangu. Niligundua kwamba ikiwa tutageuza mwelekeo wa wakati katika nadharia ya Penrose ili kuanguka kubadilishwa na upanuzi, masharti ya nadharia hiyo yangebaki sawa, mradi Ulimwengu wa sasa unalingana na mfano wa Friedmann kwa kiwango kikubwa. Ilifuata kutoka kwa nadharia ya Penrose kwamba kuanguka kwa nyota yoyote kunaishia kwa umoja, na mfano wangu na mabadiliko ya wakati ulithibitisha kwamba Ulimwengu wowote unaopanuka wa Friedmann lazima utoke kwenye umoja. Kwa sababu za kiufundi tu, nadharia ya Penrose ilihitaji ulimwengu kuwa na ukomo angani. Ningeweza kutumia hii kuthibitisha kwamba umoja hutokea katika hali moja tu: ikiwa kiwango cha juu cha upanuzi hakijumuishi mkazo wa nyuma wa Ulimwengu, kwa sababu ni mfano wa Friedmann pekee ambao hauna mwisho katika nafasi.
Baadhi miaka ijayo Nilitengeneza mbinu mpya za kihesabu ambazo zingeondoa hii na zingine vipimo vya kiufundi kutoka kwa nadharia zinazothibitisha kwamba umoja lazima uwepo. Matokeo yake yalikuwa karatasi ya pamoja iliyochapishwa mwaka wa 1970 na Penrose na mimi mwenyewe, ambayo ilisema kwamba umoja wa Big Bang lazima uwe ulikuwepo mradi uhusiano wa jumla ulikuwa sahihi na kiasi cha maada katika ulimwengu kililingana na kile tulichoona.
Mapingamizi mengi yalifuata, kwa sehemu kutoka kwa wanasayansi wa Soviet ambao walifuata "mstari wa chama" uliotangazwa na Lifshitz na Khalatnikov, na kwa sehemu kutoka kwa wale ambao walikuwa na chuki ya wazo la umoja, ambalo lilikasirisha uzuri wa nadharia ya Einstein. Walakini, na nadharia ya hisabati ni ngumu kubishana. Kwa hiyo, sasa inakubalika sana kwamba lazima ulimwengu ulikuwa na mwanzo.