«Любознательные дети» — это серия для детей всех возрастов. Если у вас есть вопрос, на который вы хотели бы получить ответ от эксперта, пришлите его на адрес curiouskidsus@theconversation.com.
Во что расширяется Вселенная, если она уже бесконечна? — Мейл, 10 лет, Мизула, Монтана
Когда вы печете буханку хлеба или партию кексов, вы кладете тесто в форму. Пока тесто выпекается в духовке, оно расширяется, заполняя форму. Любые шоколадные крошки или черника в тесте для кексов отдаляются друг от друга по мере того, как тесто расширяется.
Расширение Вселенной в некотором смысле похоже. Но в этой аналогии есть одна неточность — в то время как тесто расширяется внутрь формы, у Вселенной нет ничего, во что она могла бы расширяться. Она просто расширяется в себя.
Это может показаться головоломкой, но Вселенная считается всем, что находится внутри Вселенной. В расширяющейся Вселенной нет формы. Есть только тесто. Даже если бы форма существовала, она была бы частью Вселенной и, следовательно, расширялась бы вместе с ней.
Даже для меня, профессора физики и астрономии, который изучает Вселенную годами, эти идеи трудны для понимания. В повседневной жизни вы не сталкиваетесь ни с чем подобным. Это все равно что спросить, какое направление находится севернее Северного полюса.
Другой способ думать о расширении Вселенной — это представить, как другие галактики удаляются от нашей галактики, Млечного Пути. Ученые знают, что Вселенная расширяется, потому что они могут отслеживать, как другие галактики удаляются от нашей. Они определяют расширение, используя скорость, с которой другие галактики удаляются от нас. Это определение позволяет им представить расширение без необходимости в том, во что расширяться.
Расширяющаяся Вселенная
Вселенная зародилась в результате Большого взрыва 13,8 миллиарда лет назад. Большой взрыв описывает происхождение Вселенной как чрезвычайно плотной, горячей сингулярности. Эта крошечная точка внезапно подверглась быстрому расширению, называемому инфляцией, в ходе которого каждое место во Вселенной расширялось наружу. Но название «Большой взрыв» вводит в заблуждение. Это был не гигантский взрыв, как следует из названия, а время, когда Вселенная быстро расширялась.
Затем Вселенная быстро сжалась и остыла, и начала создавать материю и свет. В конце концов, она эволюционировала в то, что мы сегодня знаем как нашу Вселенную.
Идея о том, что наша Вселенная не статична и может расширяться или сжиматься, была впервые опубликована физиком Александром Фридманом в 1922 году. Он математически подтвердил, что Вселенная расширяется.
В то время как Фридман доказал, что Вселенная расширяется, по крайней мере, в некоторых местах, именно Эдвин Хаббл глубже изучил скорость расширения. Многие другие ученые подтвердили, что другие галактики удаляются от Млечного Пути, но в 1929 году Хаббл опубликовал свою знаменитую статью, которая подтвердила, что вся Вселенная расширяется, и что скорость ее расширения увеличивается.
Это открытие продолжает озадачивать астрофизиков. Какое явление позволяет Вселенной преодолевать силу гравитации, удерживающую ее вместе, и при этом расширяться, раздвигая объекты во Вселенной? И вдобавок ко всему, скорость ее расширения со временем ускоряется.
Многие ученые используют визуальный образ, называемый воронкой расширения, чтобы описать, как расширение Вселенной ускорилось после Большого взрыва. Представьте себе глубокую воронку с широкими краями. Левая сторона воронки — узкий конец — представляет начало Вселенной. По мере продвижения вправо вы движетесь вперед во времени. Расширение конуса представляет расширение Вселенной.
Ученым до сих пор не удалось напрямую измерить, откуда берется энергия, вызывающая это ускоряющееся расширение. Они не смогли ее обнаружить или измерить. Поскольку они не могут видеть или напрямую измерять этот тип энергии, они называют его темной энергией.
Согласно моделям исследователей, темная энергия должна быть самой распространенной формой энергии во Вселенной, составляя около 68% от общей энергии во Вселенной. Энергия обычной материи, из которой состоят Земля, Солнце и все, что мы можем видеть, составляет лишь около 5% всей энергии.
За пределами воронки расширения
Итак, что находится за пределами воронки расширения?
У ученых нет доказательств существования чего-либо за пределами нашей известной Вселенной. Однако некоторые предсказывают, что может существовать множество вселенных. Модель, включающая множество вселенных, могла бы решить некоторые проблемы, с которыми ученые сталкиваются в современных моделях нашей Вселенной.
Одна из главных проблем современной физики заключается в том, что исследователи не могут объединить квантовую механику, которая описывает, как физика работает в очень малых масштабах, и гравитацию, которая управляет физикой в больших масштабах.
Правила поведения материи в малом масштабе зависят от вероятности и квантованных, или фиксированных, количеств энергии. В этом масштабе объекты могут появляться и исчезать. Материя может вести себя как волна. Квантовый мир сильно отличается от того, как мы видим мир.
В больших масштабах, которые физики называют классической механикой, объекты ведут себя так, как мы ожидаем в повседневной жизни. Объекты не квантованы и могут иметь непрерывные количества энергии. Объекты не появляются и не исчезают.
Квантовый мир ведет себя как выключатель света, где энергия имеет только два варианта: включено или выключено. Мир, который мы видим и с которым взаимодействуем, ведет себя как диммер, допуская любые уровни энергии.
Но исследователи сталкиваются с проблемами, когда пытаются изучать гравитацию на квантовом уровне. В малом масштабе физикам пришлось бы предположить, что гравитация квантована. Но исследования, проведенные многими из них, не поддерживают эту идею.
Один из способов заставить эти теории работать вместе — это теория мультивселенной. Существует множество теорий, которые выходят за пределы нашей нынешней Вселенной, чтобы объяснить, как гравитация и квантовый мир работают вместе. Некоторые из ведущих теорий включают теорию струн, брану-космологию, петлевую квантовую теорию и многие другие.
Как бы то ни было, Вселенная продолжит расширяться, а расстояние между Млечным Путем и большинством других галактик будет со временем увеличиваться.
Привет, любознательные дети! У вас есть вопрос, на который вы хотели бы получить ответ от эксперта? Попросите взрослого отправить ваш вопрос на адрес CuriousKidsUS@theconversation.com. Пожалуйста, укажите ваше имя, возраст и город, в котором вы живете.
И поскольку любопытство не имеет возрастных ограничений — взрослые, дайте нам знать, что интересует и вас. Мы не сможем ответить на каждый вопрос, но сделаем все возможное.
Эта статья перепечатана из The Conversation, некоммерческой независимой новостной организации, предоставляющей вам факты и надежный анализ, чтобы помочь вам разобраться в нашем сложном мире. Она была написана Николь Грануччи, Университет Куиннипиак.
Читать далее:
Из чего состоит космос? Эксперт по астрофизике объясняет все компоненты — от радиации до темной материи — обнаруженные в вакууме космоса
Есть ли у космоса конец — или он бесконечен?
Существуют ли планеты за пределами нашей Солнечной системы?
Николь Грануччи не работает, не консультирует, не владеет акциями и не получает финансирования от какой-либо компании или организации, которая могла бы извлечь выгоду из этой статьи, и не раскрыла никаких соответствующих связей, помимо своей академической должности.