Прошло 13,8 миллиарда лет с момента Большого Взрыва, но наша наблюдаемая Вселенная намного больше, чем 13,8 миллиарда световых лет!
«Разум, однажды расширенный до масштабов более крупных идей, уже никогда не вернется к своим первоначальным размерам». - Оливер Венделл Холмс
Когда общая теория относительности заменила работу Ньютона в качестве нашей теории о том, как работает гравитация во Вселенной, она не только изменила наше представление о притяжении масс, но и дала нам новое понимание того, какие вопросы where и when на самом деле означают. Это дало нам саму ткань пространства-времени.
Это означало, что мы больше не могли рассматривать такие объекты, как материя и излучение, как существующие в какой-то фиксированной сетчатой структуре. Вместо этого Вселенная содержит закодированную в уравнениях, которые ее описывают, очень глубокую идею: сама Вселенная - включая пространство и время - эволюционировала предсказуемым, понятным образом, который зависит от того, что в ней находится!
Относительность появилась в 1915 году, и уже в 1919 году она получила первое наблюдательное подтверждение своих новых предсказаний. Со временем мы поняли, что Вселенная простиралась далеко за пределы нашей галактики в последние 1920-е годы, и что великая многие из туманных облаков и спиралей в небе на самом деле были их собственными, далекими галактиками, многие следствия теории относительности уже были выяснены.
Поскольку мы обнаружили, что эти галактики - подавляющее большинство из них - удалялись от нас, это оставило нам только один разумный вывод, который согласуется как с теорией относительности, так и с нашими наблюдениями: Вселенная расширяется.
Это, конечно, то, что привело к модели Большого Взрыва: осознание того, что если Вселенная расширяется, она должна охлаждаться, так как это просто следствие того, что происходит с излучением (оно смещается в красную сторону).) в расширении пространства-времени.
Ну, если Вселенная расширяется и остывает, значит, в будущем она будет больше и круче. Но это также означает, что раньше было жарче и плотнее! На самом деле, мы можем экстраполировать все назад в сколь угодно раннее время, когда вещи были настолько горячими и плотными (и компактными), насколько мы можем позволить им быть.
Мы также знаем из наблюдений, что Вселенная примерно однородна как по плотности, так и по температуре в самых больших масштабах. Хотя он может объединяться в планеты, звезды, галактики и скопления, если мы посмотрим на достаточно большую область, все они будут выглядеть примерно одинаково.
А теперь самое интересное с точки зрения теоретика!
Поскольку общая теория относительности - принимая во внимание расширяющуюся Вселенную - говорит нам о связи между пространством, временем и всей материей и энергией во Вселенной, это означает, что если мы можем выяснить, что находится во Вселенной сегодня, и если мы сможем точно измерить, как она расширяется прямо сейчас, мы сможем узнать насколько велика была Вселенная на любом этапекак в прошлом, так и в будущем. (По крайней мере, начиная с того момента, когда мы можем описать его Большим Взрывом.)
Теперь мы знаем, что сегодня Вселенная расширяется со скоростью около 68 км/с/Мпк, что известно как параметр Хаббла. Эта скорость была выше в прошлом и будет медленнее в будущем, но это то, что есть сегодня. Около 20 лет назад вокруг этого числа существовала огромная неопределенность: некоторые люди утверждали, что оно составляет всего 50, а другие - что оно достигает 100; сегодня неопределенности очень малы, всего ± 2 или 3 км / с / Мпк.
Итак, учтите, что мы не только знаем, как быстро Вселенная расширяется сегодня, но мы также знаем, из чего состоит Вселенная, в том, что касается содержания энергии.
Около 68% энергии Вселенной составляет темная энергия, то есть энергия, присущая пустому пространству-времени. Еще 32% или около того приходится на обычную материю (протоны, нейтроны, электроны, нейтрино и т. д.) и темную материю вместе взятые, а крошечную (но известную) долю процента составляет излучение в форме фотонов: около 0,008%, число слишком маленькое, чтобы его можно было увидеть на приведенной выше диаграмме.
Вот и все . Вооружившись только этим знанием - плюс общей теорией относительности - , мы можем выяснить, как Вселенная росла и продолжает расти с течением времени. Вот как выглядит график (в логарифмическом масштабе).
Выглядит не так уж впечатляюще; в конце концов, это просто кривая. Массивный «всплеск», который вы видите в конце, связан с эффектами темной энергии, и, хотя визуально это довольно сложно сказать, наклон линии изменился примерно через 10^4 лет. Несмотря на то, как обыденно выглядит этот простой график, в этой кривой закодировано огромное количество информации! Давайте выделим некоторые из моих любимых «достижений» в истории Вселенной.
Сегодня наблюдаемой Вселенной (то есть той части Вселенной, которая причинно связана с нами) 13,8 миллиарда лет, и она имеет радиус - то есть расстояние от нас до самого дальнего края, возможно, когда-либо взаимодействовал с нами - 46 миллиардов световых лет. Как видите, со временем это число станет намного больше; это вина темной энергии! Когда Вселенная достигнет возраста 10^11 лет (в 7 раз больше ее нынешнего возраста), она будет в 100 000 раз больше своего нынешнего размера; это сила ускоренного расширения!
Но, возвращаясь назад, темная энергия была менее важна; всего несколько миллиардов лет назад материя была доминирующим компонентом Вселенной, влияющим на наше расширение, а еще раньше доминировала радиация. (Вы можете проверить, где изменяется наклон линии; это отражает различное поведение материи, излучения и темной энергии в расширяющейся Вселенной с течением времени!) На самом деле, когда Вселенная была меньше, мы могли легко вычислить, какие компоненты Вселенной доминировали и определяли скорость расширения.
Некоторые забавные вехи:
- Диаметр Млечного Пути составляет 100 000 световых лет; наблюдаемая Вселенная имела такой радиус, когда ей было примерно 3 года.
- Когда Вселенной был один год, она была намного горячее и плотнее, чем поверхность Солнца сейчас. Средняя температура Вселенной составляла более 2 миллионов Кельвинов по сравнению с температурой поверхности Солнца около 6 000 К.
- Когда Вселенной была всего одна секунда от роду, она была слишком горячей для образования стабильных ядер; протоны и нейтроны были в море горячей плазмы. Кроме того, вся наблюдаемая Вселенная будет иметь радиус, который, если мы нарисуем ее вокруг Солнца сегодня, охватит только семь ближайших звездных систем, а самой дальней из них будет Росс 154.
- Когда-то Вселенная была равна радиусу Земли-Солнца, что произошло, когда Вселенной было около одной триллионной (10^-12) секунды. Скорость расширения Вселенной тогда была в 10^29 раз больше, чем сегодня.
И после 13,8 миллиардов лет, 46 миллиардов световых лет расширения и триллионов звезд, родившихся, живущих и умирающих только в нашей местной группе, мы здесь.
Не просто наслаждайтесь, наслаждайтесь пониманием! И теперь вы знаете, где мы были и как сюда попали, в том числе, насколько велика была наша Вселенная на каждом этапе пути!
- Самое раннее, что мы можем экстраполировать назад, сейчас известно, что это где-то между 10^-37 и 10^-25 секундами, так как до взрыва была инфляционная эпоха неопределенной продолжительности с ужасающими последствиями. Вселенная может быть точно описана моделью Большого Взрыва.
Оставляйте свои комментарии на форуме Starts With A Bang в Scienceblogs!