Безкрайно пространство. Колко вселени има? Пространството има ли граница

Може би ограниченията на това, което можем да наблюдаваме, са просто изкуствени; може би няма ограничение за това, което е от другата страна на наблюдаваното.

Преди 13,8 милиарда години Вселената започва с Големия взрив. Оттогава се разширява и охлажда, така беше вчера, днес и ще бъде утре. От наша гледна точка можем да го наблюдаваме на 46 милиарда светлинни години във всички посоки, благодарение на скоростта на светлината и разширяването на пространството. Въпреки че това е голямо разстояние, то е крайно. Но това е само част от това, което Вселената ни предлага. Какво се крие зад тази част? Може ли Вселената да е безкрайна?

Как може това да се докаже емпирично?

Първо, това, което виждаме, ни казва повече от 46 милиарда светлинни години.

Колкото по-напред гледаме във всяка посока, толкова по-назад във времето гледаме. Най-близката галактика, отдалечена на 2,5 милиона светлинни години, ни изглежда такава, каквато е била преди 2,5 милиона години, тъй като светлината отнема точно това време, за да попадне в очите ни от мястото, където е била излъчена. Виждаме най-далечните галактики, каквито са били преди милиони, стотици милиони или дори милиарди години. Виждаме светлината на младата вселена. Така че, ако потърсим светлината, която е била излъчена преди 13,8 милиарда години, оставена от Големия взрив, ще открием и това: космическия микровълнов фон.

Неговата картина на флуктуациите е невероятно сложна, с различни ъглови скали, показващи различни разлики в средните температури. Той също така кодира невероятно количество информация за Вселената, включително поразителен факт: кривината на пространството, доколкото можем да кажем, е абсолютно плоска. Ако пространството беше положително извито, ако живеехме на повърхността на четириизмерна сфера, щяхме да видим как тези далечни лъчи светлина се събират. Ако пространството беше изкривено отрицателно, сякаш живеем на четириизмерно седло, щяхме да видим далечни лъчи на светлината да се разминават. Но не, лъчите светлина, идващи отдалеч, продължават да се движат в първоначалната посока, а флуктуациите говорят за идеална равнина.

Космическият микровълнов фон и мащабната структура на Вселената, взети заедно, ни позволяват да заключим, че ако Вселената е ограничена и самостоятелна, тя трябва да бъде поне 250 пъти по-голяма от това, което наблюдаваме. И тъй като живеем в три измерения, получаваме (250) 3 като обем или умножаваме пространството 15 милиона пъти. Колкото и голямо да е това число, то не е безкрайно. По най-консервативната оценка Вселената трябва да бъде най-малко 11 трилиона светлинни години във всички посоки. И това е много, но... разбира се.

Има обаче причини да се смята, че е по-голям. Големият взрив може да отбележи началото на наблюдаваната вселена, каквато я познаваме, но не бележи раждането на времето и пространството като такива. Преди Големия взрив Вселената преминава през период на космическа инфлация. Не беше изпълнен с материя и радиация и не беше горещ. Тя:

• беше изпълнен с енергия, присъща на самото пространство;
• разширява се в постоянен експоненциален ред;
• създаде ново пространство толкова бързо, че най-малката физическа дължина, дължината на Планк, се разтяга до размера на Вселената, наблюдавана днес на всеки 10-32 секунди.

Вярно е, че инфлацията е свършила в нашия регион на Вселената. Но има няколко въпроса, на които все още не знаем отговора, които могат да определят истинския размер на Вселената, както и дали тя е безкрайна или не.

Колко голям беше районът на Вселената след инфлацията, в който се роди нашият Голям взрив?

Гледайки нашата Вселена днес, еднородното послесвечение на Големия взрив и равнината на Вселената, не можем да извлечем много. Можем да определим най-високата граница на енергийната скала, при която е настъпила инфлация; можем да определим колко от Вселената е преминала през инфлация; можем да определим долна граница за това колко дълго е трябвало да продължи инфлацията. Но джобът на инфлационната вселена, в която се роди нашата собствена, може да бъде много, много по-голям от долната линия. Може да е стотици, милиони или гуголи пъти по-голям, отколкото можем да наблюдаваме... или наистина безкраен. Но докато не можем да наблюдаваме повече от Вселената, отколкото в момента ни е достъпно, няма да получим достатъчно информация, за да отговорим на този въпрос.

Вярна ли е идеята за "вечна инфлация"?

Ако смятате, че инфлацията трябва да бъде квантово поле, тогава по всяко време по време на тази фаза на експоненциално разширение има вероятност инфлацията да завърши с Голям взрив и вероятността инфлацията да продължи, създавайки все повече и повече пространство. Можем лесно да направим тези изчисления (с няколко допускания) и те ще доведат до неизбежния извод: ако искате инфлация, която произвежда Вселената, която наблюдаваме, тогава инфлацията винаги ще създава повече пространство, което продължава да се разширява в сравнение с регионите, които имат вече завърши с големи експлозии. И ако нашата видима вселена е могла да се появи в резултат на края на инфлацията в нашия регион на космоса преди около 13,8 милиарда години, има региони, в които инфлацията продължава - създавайки все повече пространство и раждайки Големите взривове - и до днес . Тази идея се нарича "вечна инфлация" и е общоприета от общността на теоретичните физици. И тогава колко голяма е цялата ненаблюдаема вселена?

Колко дълго продължи инфлацията до края й и Големия взрив?

Можем да видим само наблюдаваната вселена, създадена в края на инфлацията и нашия Голям взрив. Знаем, че тази инфлация трябваше да продължи поне 10-32 секунди, но можеше да е и по-дълго. Но колко още? За секунди? години? Милиарди години? Или безкрайно? Винаги ли е била вселената инфлационна? Тя имаше ли начало? Възникнало ли е от предишно състояние, което е било вечно? Или може би цялото пространство и време са възникнали от „нищо“ преди време? Има много възможности, но всички те са непроверими и недоказуеми досега.

Според най-добрите ни наблюдения знаем, че Вселената е много, много по-голяма от частта, която имаме късмета да наблюдаваме. Извън това, което виждаме, има много повече от Вселената, със същите закони на физиката, със същите структури (звезди, галактики, купове, нишки, празнини и т.н.) и със същите шансове за развитие на сложен живот . Трябва също да има ограничени размери на „мехурчета“, в които инфлацията завършва, и гигантски брой такива мехурчета, затворени в гигантско пространство-време, което набъбва по време на инфлацията. Но има ограничение за всякакви големи числа, те не са безкрайни. И само ако инфлацията не е продължила безкрайно дълго време, Вселената трябва да е крайна.

Проблемът с всичко това е, че ние знаем само как да получим достъп до информацията, налична в нашата наблюдаема вселена: до тези 46 милиарда светлинни години във всички посоки. Отговорът на най-големия въпрос от всички, дали Вселената е крайна или безкрайна, може да е кодиран в самата вселена, но ние сме твърде вързани ръце, за да знаем. За съжаление физиката, която имаме, не ни дава други възможности.

В ежедневието на човек най-често му се налага да се справя с крайни количества. Следователно може да бъде много трудно да се визуализира неограничена безкрайност. Тази концепция е обвита в аура на мистерия и необичайност, примесена със страхопочитание към Вселената, чиито граници са почти невъзможни за дефиниране.

Пространствената безкрайност на света принадлежи към най-сложните и противоречиви научни проблеми. Древните философи и астрономи се опитват да решат този въпрос с помощта на най-простите логически конструкции. За да направите това, беше достатъчно да се признае, че е възможно да се стигне до предполагаемия край на Вселената. Но ако протегнете ръката си в този момент, тогава границата се премества на известно разстояние. Тази операция може да се повтори безброй пъти, което доказва безкрайността на Вселената.

Трудно е да си представим безкрайността на Вселената, но не по-малко трудна, отколкото един ограничен свят може да изглежда. Дори тези, които не са много напреднали в изучаването на космологията, в този случай възниква естествен въпрос: какво е отвъд границата на Вселената? Подобни разсъждения обаче, изградени върху здравия разум и ежедневния опит, не могат да служат като солидна основа за строги научни заключения.

Съвременни концепции за безкрайността на Вселената

Съвременните учени, изследвайки множество космологични парадокси, стигнаха до заключението, че съществуването на крайна вселена по принцип противоречи на законите на физиката. Светът извън планетата Земя, очевидно, няма граници нито в пространството, нито във времето. В този смисъл безкрайността предполага, че нито количеството материя, която се съдържа във Вселената, нито нейните геометрични размери могат да бъдат изразени дори с най-голямото число („Еволюция на Вселената“, И. Д. Новиков, 1983).

Дори ако вземем предвид хипотезата, че Вселената се е образувала преди около 14 милиарда години в резултат на т. нар. Голям взрив, това може да означава само, че в онези изключително далечни времена светът е преминал през друг етап на естествена трансформация. Изобщо, безкрайната Вселена никога не се е появявала по време на първоначалния импулс или необяснимо развитие на някакъв нематериален обект. Предположението за безкрайна вселена слага край на хипотезата за Божественото сътворение на света.

През 2014 г. американски астрономи публикуваха резултатите от най-новите изследвания, които подкрепят хипотезата за съществуването на безкрайна и плоска вселена. С висока точност учените са измервали разстоянието между галактиките, разположени на разстояние от няколко милиарда светлинни години една от друга. Оказа се, че тези колосални космически звездни купове са разположени в кръгове с постоянен радиус. Изграденият от изследователите космологичен модел косвено доказва, че Вселената е безкрайна както в пространството, така и във времето.

При изучаването на Вселената и нейната структура често възниква въпросът дали тя има край или е безкрайна. Концепцията за безкрайността е една от най-интересните в науката, тъй като се отнася до областта на мистериозното и необичайното. Наистина е невъзможно да си представим безкрайността, защото тази концепция няма яснота, но изобщо не е измислена математическа конструкция, а се използва в науката за решаване на много проблеми.

Астрономите и физиците се интересуват най-много от изучаването на безкрайността, тъй като трябва да се занимават с пространството на Вселената и геометрията на околния свят. Изучаването на безкрайността на Вселената и космоса започва в древни времена. Великите философи предлагаха прости и привидно неопровержими разсъждения, които на пръв поглед не противоречат на логиката.

И така, Лукреций Кар в стихотворението „За природата на нещата“ пише: „Няма край от двете страни на Вселената, защото в противен случай тя със сигурност би имала ръб“. За много учени от онова време беше по-лесно да си представят, че Вселената няма край и се простира безкрайно дълго във всички посоки, отколкото че има определени граници, защото тогава ще трябва да търсят отговор на въпроса какво се крие отвъд тези граници.

Разсъжденията на Лукреций и неговите поддръжници обаче разчитаха на първо място на логиката и обичайните идеи за земното пространство и в съвременния свят се смята за неразумно да се разчита на това при изучаване на проблема за безкрайността в мащаба на Вселената . В този случай трябва да се изследват реалните свойства на света и да се направят изводи въз основа на тях.

По време на Ренесанса Коперник разработва хелиоцентричен модел на света, според който Слънцето е в центъра на Вселената, а Земята и другите планети се въртят около него. Според учения Вселената е била ограничена от сфера от неподвижни звезди. Той вярвал, че всички небесни тела се въртят около Слънцето с еднаква скорост, правейки един оборот на ден. Следователно, колкото по-голямо е разстоянието от Слънцето до небесното тяло, толкова по-голяма е скоростта на въртене на последното.

По този начин, ако има звезди, разположени на безкрайно големи разстояния от Слънцето, тогава те трябва да имат безкрайно висока скорост, което е невъзможно. От това следва, че Вселената има край, тоест тя е затворена в сферата на звездите. За съвременниците на Коперник подобно доказателство изглеждаше неопровержимо, защото тогава те още не знаеха, че Слънцето не е център на Вселената, а център на Слънчевата система.

Италианският учен Джордано Бруно е първият, който поставя под въпрос заключенията на Коперник. Той беше първият, който предложи идеята за безкрайна вселена. В разсъжденията си ученият се опира на философски възгледи, а не на физически или астрономически изследвания.

Исак Нютон е първият, който се опитва да даде естествено научно обяснение на безкрайността на Вселената и в разработените от него закони на механиката. Според неговите разпоредби, ако материалните частици се привличат една към друга, то с течение на времето те трябва да се разпръснат в безкрайно пространство. Следователно не може да съществува неизменна крайна Вселена. Дълго време се смяташе, че отговорът на въпроса за безкрайността на Вселената е получен и се счита за окончателен, но мнението се оказа погрешно. Винаги се е смятало, че на въпроса дали Вселената има граница трябва да има само два отговора: „да“ или не. И едва по-късно се оказа, че може да има няколко вида безкрайност. Например, в математиката има безкрайност от поредица от естествени числа и безкрайност от всички точки, разположени на отсечка.

В геометрията могат да съществуват и различни безкрайности. Например има такива понятия като безкрайност и неограниченост на пространството, които не са тъждествени едно на друго.Неограниченото пространство е това, което няма граници, но с това е затворено в себе си, или разбира се. Пример за такова пространство е сфера. Площта на сфера има крайна стойност, но е невъзможно да се достигне до нейната граница, следователно се счита за неограничена. Примерът за сфера служи като пример, че пространството може да има краен обем, но няма граници.

В съвременната наука никой не се съмнява, че пространството на Вселената е неограничено, т.е. невъзможно е да се достигне границата на Вселената. Но въпросът за неговата безкрайност или крайност все още е открит. За да намерят отговора на него, учените изучават геометрията на света и се опитват да установят местоположението на материята във Вселената.С помощта на теоретични изчисления се измерва критичната плътност на материята във Вселената. И така, изчислено е, че 1/100 000 от масата на протона пада върху 13 cm пространство. Въз основа на теорията на относителността учените казват, че световното пространство има край, ако средната плътност на материята във Вселената е по-голяма от критичната. Обратно, Вселената има безкраен обем, ако плътността на материята в нея е под критичната стойност.

Космологията, специален клон на астрономията, се занимава с произхода, еволюцията и свойствата на Вселената. Тя се основава на науки като физика, математика, астрономия, както и теология и философия.

Въз основа на това заключение много изследователи са създали различни версии за изчисляване на средната плътност на материята в света. Някои, въз основа на своите изчисления, стигнаха до заключението, че Вселената е крайна, и направиха опити да изчислят нейния радиус. Такива изчисления обаче не могат да отговорят на въпроса за безкрайността на Вселената и да разкажат за нейните геометрични свойства.

Общата теория на относителността предоставя физически критерий, въз основа на който може да се правят предположения за кривината на пространството, но физическата стойност на тази кривина може да се прецени най-вероятно само въз основа на наблюдения, показващи, че средната плътност на материята в свят е приблизително равен на критичния.

Всичко това говори в полза на факта, че съвременната наука все още не е готова да даде еднозначен отговор на въпроса за крайността и безкрайността на Вселената и да предпочете една от тези вероятности.

Вселената на Фридман Кант креационизъм

Безкрайността като понятие е височината на абстракцията. В това отношение само скоростта на светлината или черната дупка може да се конкурира с нея. За да укротят идеята за безкрайността, математиците от векове са измисляли знаци, образи и истории, които примиряват умовете ни с това, което е невъзможно да си представим.

1. Знакът на безкрайността

Може би, когато измисли знака за безкрайност, Уолис взе за основа символа за числото 1000, изписано с римски цифри (CIƆ или CƆ), което римляните често използваха за означаване на безброй обекти. Според друга версия символът за безкрайност се отнася до омега (Ω или ω) - последната буква от гръцката азбука.

Концепцията за безкрайността е предложена много преди Уолис да измисли символ за нея. Например, древногръцкият философ Анаксимандър въвежда понятието "апейрон", което означава един вид безкрайна първична субстанция.

2. Апории на Зенон

Една от най-известните апории на древногръцкия философ Зенон се нарича "Ахил и костенурката": костенурката кани Ахил да участва в състезание, при условие че започне да се движи малко по-рано.

Костенурката е уверена в победата си, защото в момента, в който Ахил достигне началната точка на костенурката, тя вече ще пропълзи малко по-нататък, като отново ще увеличи разстоянието между тях.

Така, въпреки факта, че разстоянието ще бъде намалено, Ахил никога няма да настигне костенурката. Този парадокс може да се обясни по друг начин. Представете си, че пресичате стаята, покривайки половината оставащо разстояние с всяка стъпка. Първо, крачката ви ще бъде половината от общото разстояние, след това една четвърт, след това 1/8-та, 1/16-та и т.н. Въпреки че с всяка следваща стъпка ще се приближавате до противоположната стена на стаята, е невъзможно да стигнете до края: ще трябва да направите безкраен брой стъпки.

3. Число Пи

Друг пример за безкрайност е π: математиците използват специален символ за него, защото се състои от безкраен брой цифри. Най-често се съкращава до 3,14 или 3,14159, но колкото и десетични знака да има, е напълно невъзможно да се запише това число.

4. Теорема за безкрайната маймуна

Тази теорема гласи, че ако една абстрактна маймуна удря клавишите на пишеща машина за безкрайно дълго време, рано или късно тя ще отпечата Хамлет на Шекспир. Докато някои виждат тази теорема като потвърждение, че всичко е възможно, математиците обикновено я използват като пример за събитие с много ниска вероятност.

5. Фрактали

Фракталът е абстрактен математически обект, използван, наред с други неща, за изобразяване на явления от естествен произход. В математиката това е множество, което има свойството на самоподобие: неговите части са подобни на цялото. Визуално такъв обект е фигура, където същият мотив се повтаря в последователно намаляващ мащаб. Следователно изображението на фрактала може да бъде безкрайно увеличено: когато мащабът се увеличи, се появяват всички нови детайли.

Записани като математическо уравнение, повечето фрактали са недиференцируеми функции.

6. Размери на безкрайността

Въпреки че безкрайността няма граници, тя може да бъде с различни размери. Положителните и отрицателните числа представляват две безкрайни множества с еднакъв размер. Какво ще стане обаче, ако добавите тези два набора? В крайна сметка ще получите нещо два пъти по-голямо от всяко от тях.

Четните числа могат да се разглеждат по подобен начин: това също е безкрайно множество, но е наполовина по-малко от множеството от всички положителни числа.

Освен това можете да опитате да добавите едно към безкрайността и да се уверите, че числото ∞ + 1 винаги ще бъде по-голямо от ∞.

7. Космология и безкрайност

Космолозите продължават да изучават Вселената и да размишляват върху концепцията за безкрайността. Безкрайно ли е пространството? Все още няма отговор на този въпрос. Дори нашата физическа вселена да е ограничена, има вероятност тя да е само една от многото вселени!

8. Деление на нула

От училище знаем, че делението на нула е аритметично забранена техника. Числото 1, разделено на 0, не може да бъде определено: всеки калкулатор ще даде код за грешка. Въпреки това, според друга теория, 1/0 е напълно валидна форма на безкрайност.

Относно границите на пространството и безкрайността на Вселената ще се осмеля да се позова на един от предишните си отговори.

Що се отнася до видимата част от Вселената, там е малко по-сложно. Поради разширяването на Вселената светлината от онези нейни части, които отлитат от нас по-бързо от скоростта на светлината, никога няма да ни достигне. Въпреки това, светлината на тези обекти, които вече са извън тази граница, достига до нас, все още достига до нас, но с изместена дължина на вълната - едно от проявите на ефекта на Доплер. Прочетете повече тук.

Ако сега говорим за това, което е отвъд границите на видимата част на Вселената, тогава казано грубо, "сега" най-вероятно има същата вселена като частта, която ни заобикаля. По-точно, от гледна точка на специалната теория на относителността, ако отидем до някаква далечна точка от Вселената със субсветална скорост, тогава до момента на пристигането ни, според нашия часовник, Вселената в тази точка очевидно ще прилича на нашата в общи линии.

И накрая, самият ефект на червено отместване, поради който светлината идва към нас от далечните краища на видимата вселена с по-голяма дължина на вълната - и следователно в по-голямата си част вече не е видим за нашето око - и ни позволява да заключим, че вселената се разширява. Поради разширяването небето изглежда тъмно през нощта - в безкрайна или голяма крайна вселена, то трябва да изглежда почти равномерно светло.

Причините за разширяването на Вселената все още не са ясни, досега във физиката е въведено понятието "тъмна енергия", поради което Вселената се разширява. Нейната природа все още не е ясна, все още не е възможно директно да се наблюдават нейните носители - затова този хипотетичен обект се нарича "тъмна" енергия.

Все пак не е съвсем точно, сферата на Хъбъл все още не е хоризонт на събитията и светлината от обекти, които се отдалечават по-бързо от скоростта на светлината именно поради ускорението на разширяването на Вселената, някога ще попадне вътре в сферата на Хъбъл и стигнете до нас. С хоризонт на събития (не частици) е по-сложно, можем да видим светлина от определени обекти и ще я видим в бъдеще, но няма да видим как например тези звезди ще изгаснат (дори и ако вече са угаснали ), като цяло събитията са по-късни от определена дата/час.