جهان در حال گسترش اگر جهان در حال انبساط است، پس کجا؟ این دانشمند ثابت کرد کهکشان در حال گسترش است

کیهان ساکن نیست. این توسط تحقیقات ادوین هابل ستاره شناس در سال 1929، یعنی تقریبا 90 سال پیش، تأیید شد. این ایده با مشاهدات حرکت کهکشان ها به او پیشنهاد شد. یکی دیگر از کشفیات اخترفیزیکدانان در پایان قرن بیستم، محاسبه انبساط شتابان جهان بود.

انبساط کیهان چیست؟

برخی از مردم از شنیدن اشاره دانشمندان به انبساط کیهان شگفت زده می شوند. اکثر مردم این نام را با اقتصاد و با انتظارات منفی مرتبط می دانند.

تورم فرآیند انبساط کیهان بلافاصله پس از ظهور و با شتاب شدید است. ترجمه شده از انگلیسی، "inflation" به معنای "پمپ کردن"، "باد کردن" است.

تردیدهای جدید در مورد وجود انرژی تاریک به عنوان عاملی در نظریه تورم کیهان مورد استفاده مخالفان نظریه انبساط قرار گرفته است.

سپس دانشمندان نقشه ای از سیاهچاله ها را پیشنهاد کردند. داده های اولیه با داده های به دست آمده در مرحله بعدی متفاوت است:

1. شصت هزار سیاهچاله با فاصله بین دورترین سیاهچاله ها بیش از یازده میلیون سال نوری - داده های چهار سال پیش.
2. صد و هشتاد هزار کهکشان با سیاهچاله در فاصله سیزده میلیون سال نوری. داده هایی که توسط دانشمندان، از جمله فیزیکدانان هسته ای روسی، در اوایل سال 2017 به دست آمد.

اخترفیزیکدانان می گویند این اطلاعات با مدل کلاسیک جهان در تضاد نیست.

سرعت انبساط کیهان چالشی برای کیهان شناسان است

سرعت انبساط در واقع یک چالش برای کیهان شناسان و ستاره شناسان است. درست است، کیهان شناسان دیگر استدلال نمی کنند که نرخ انبساط کیهان پارامتر ثابتی ندارد؛ اختلافات به سطح دیگری منتقل شدند - زمانی که انبساط شروع به شتاب گرفتن کرد. داده‌های مربوط به سرگردانی در طیف کهکشان‌های ابرنواختر نوع I بسیار دور ثابت می‌کند که انبساط یک فرآیند ناگهانی نیست.

دانشمندان معتقدند که جهان در پنج میلیارد سال اول منقبض شد.

اولین پیامدهای انفجار بزرگ ابتدا یک انبساط قدرتمند را برانگیخت و سپس فشرده سازی آغاز شد. اما انرژی تاریک همچنان بر رشد کیهان تأثیر داشت. و با شتاب.

دانشمندان آمریکایی شروع به تهیه نقشه ای از اندازه کیهان برای دوره های مختلف کرده اند تا بفهمند این شتاب از چه زمانی آغاز شده است. کیهان شناسان با مشاهده انفجارهای ابرنواختر و همچنین جهت تمرکز در کهکشان های باستانی متوجه ویژگی های شتاب شدند.

چرا کیهان "شتاب می گیرد"

در ابتدا مشخص شد که مقادیر شتاب در نقشه خطی نیستند، بلکه به یک موج سینوسی تبدیل شده اند. به آن "موج کیهان" می گفتند.

موج کیهان نشان می دهد که شتاب با سرعت ثابتی اتفاق نیفتاده است: یا کند شده یا شتاب گرفته است. و چندین بار. دانشمندان بر این باورند که در 13.81 میلیارد سال پس از انفجار بزرگ، هفت فرآیند از این قبیل وجود داشته است.

با این حال، کیهان شناسان هنوز نمی توانند به این سوال پاسخ دهند که شتاب- کاهش به چه چیزی بستگی دارد. فرضیات به این ایده خلاصه می شود که میدان انرژی که انرژی تاریک از آن سرچشمه می گیرد، تابع موج کیهان است. و با حرکت از یک موقعیت به موقعیت دیگر، جهان یا شتاب خود را گسترش می دهد یا آن را کاهش می دهد.

علیرغم قانع‌کننده بودن استدلال‌ها، آنها همچنان یک نظریه باقی مانده‌اند. اخترفیزیکدانان امیدوارند که اطلاعات به دست آمده از تلسکوپ مداری پلانک وجود امواج در کیهان را تایید کند.

انرژی تاریک چه زمانی کشف شد؟

مردم اولین بار در دهه نود به دلیل انفجارهای ابرنواختر شروع به صحبت در مورد آن کردند. ماهیت انرژی تاریک ناشناخته است. اگرچه آلبرت انیشتین ثابت کیهانی را در نظریه نسبیت خود شناسایی کرد.

در سال 1916، صد سال پیش، جهان هنوز تغییرناپذیر در نظر گرفته می شد. اما نیروی گرانش دخالت کرد: توده‌های کیهانی به ناچار به یکدیگر برخورد می‌کردند، اگر جهان بی‌حرکت بود. انیشتین گرانش را به دلیل نیروی دافعه کیهانی اعلام می کند.

ژرژ لماتر این را از طریق فیزیک توجیه خواهد کرد. خلاء حاوی انرژی است. انرژی به دلیل ارتعاشات خود که منجر به ظهور ذرات و تخریب بیشتر آنها می شود، نیروی دافعه پیدا می کند.

وقتی هابل انبساط کیهان را ثابت کرد، انیشتین آن را مزخرف خواند.

تاثیر انرژی تاریک

جهان با سرعت ثابتی از هم جدا می شود. در سال 1998، داده هایی از تجزیه و تحلیل انفجارهای ابرنواختر نوع 1 به جهان ارائه شد. ثابت شده است که جهان سریعتر و سریعتر در حال رشد است.

این به دلیل یک ماده ناشناخته اتفاق می افتد که به آن "انرژی تاریک" نامیده می شود. به نظر می رسد که تقریباً 70٪ از فضای کیهان را اشغال می کند. ماهیت، خواص و ماهیت انرژی تاریک مورد مطالعه قرار نگرفته است، اما دانشمندان در تلاش هستند تا دریابند که آیا این انرژی در کهکشان های دیگر وجود داشته است یا خیر.

در سال 2016، آنها نرخ دقیق انبساط را برای آینده نزدیک محاسبه کردند، اما یک اختلاف ظاهر شد: جهان با سرعتی سریعتر از آنچه اخترفیزیکدانان قبلاً تصور می کردند در حال انبساط است. در مورد وجود انرژی تاریک و تأثیر آن بر سرعت انبساط محدودیت های جهان، اختلافاتی در میان دانشمندان شعله ور شده است.

انبساط جهان بدون انرژی تاریک اتفاق می افتد

دانشمندان در اوایل سال 2017 این نظریه را مطرح کردند که انبساط کیهان مستقل از انرژی تاریک است. آنها انبساط را با تغییرات در ساختار جهان توضیح می دهند.

دانشمندان دانشگاه های بوداپست و دانشگاه هاوایی به این نتیجه رسیدند که اختلاف بین محاسبات و نرخ انبساط واقعی با تغییرات در خواص فضا مرتبط است. هیچ کس در نظر نگرفت که در طول انبساط چه اتفاقی برای مدل جهان می افتد.

دانشمندان با تردید در وجود انرژی تاریک توضیح می دهند: بزرگترین غلظت ماده در کیهان بر انبساط آن تأثیر می گذارد. در این حالت، محتوای باقی مانده به طور مساوی توزیع می شود. با این حال، این واقعیت ناشناخته باقی مانده است.

برای نشان دادن اعتبار مفروضات خود، دانشمندان یک مدل مینی جهان را پیشنهاد کردند. آنها آن را در قالب مجموعه ای از حباب ها ارائه کردند و شروع به محاسبه پارامترهای رشد هر حباب با سرعت خاص خود، بسته به جرم آن، کردند.

چنین مدل سازی جهان به دانشمندان نشان داد که می تواند بدون در نظر گرفتن انرژی تغییر کند. اما دانشمندان می گویند اگر انرژی تاریک را با هم ترکیب کنید، مدل تغییر نخواهد کرد.

به طور کلی، بحث همچنان ادامه دارد. طرفداران انرژی تاریک می گویند که این انرژی بر گسترش مرزهای کیهان تأثیر می گذارد؛ مخالفان بر سر موضع خود ایستاده اند و استدلال می کنند که تمرکز ماده است که مهم است.

سرعت انبساط جهان در حال حاضر

دانشمندان متقاعد شده اند که جهان پس از انفجار بزرگ شروع به رشد کرد. سپس، تقریباً چهارده میلیارد سال پیش، معلوم شد که سرعت انبساط جهان از سرعت نور بیشتر است. و همچنان به رشد خود ادامه می دهد.

در کتاب "کوتاه ترین تاریخ زمان" نوشته استیون هاوکینگ و لئونارد ملودینو، اشاره شده است که سرعت انبساط مرزهای کیهان نمی تواند از 10٪ در هر میلیارد سال تجاوز کند.

برای تعیین سرعت انبساط کیهان، در تابستان 2016، برنده جایزه نوبل، آدام ریس، فاصله تا قیفاووس های تپنده در کهکشان های نزدیک به یکدیگر را محاسبه کرد. این داده ها به ما اجازه می دهد تا سرعت را محاسبه کنیم. مشخص شد که کهکشان‌هایی که در فاصله حداقل سه میلیون سال نوری قرار دارند، می‌توانند با سرعت تقریباً 73 کیلومتر بر ثانیه دور شوند.

نتیجه شگفت‌انگیز بود: تلسکوپ‌های مداری، همان پلانک، در حدود 69 کیلومتر بر ثانیه صحبت می‌کردند. چرا چنین تفاوتی ثبت شده است، دانشمندان نمی توانند پاسخ دهند: آنها چیزی در مورد منشاء ماده تاریک، که نظریه انبساط جهان بر آن استوار است، نمی دانند.

تشعشع تاریک

عامل دیگری در "شتاب" کیهان توسط ستاره شناسان با استفاده از هابل کشف شد. اعتقاد بر این است که تشعشعات تاریک در همان ابتدای شکل گیری کیهان ظاهر شده است. سپس انرژی بیشتری در آن وجود داشت، نه ماده.

تابش تاریک به انرژی تاریک کمک کرد تا مرزهای کیهان را گسترش دهد. دانشمندان معتقدند که اختلاف در تعیین نرخ شتاب به دلیل ماهیت ناشناخته این تابش است.

کار آینده هابل باید مشاهدات را دقیق تر کند.

انرژی مرموز می تواند جهان را نابود کند

دانشمندان چندین دهه است که این سناریو را در نظر گرفته اند؛ داده های رصدخانه فضایی پلانک نشان می دهد که این به دور از حدس و گمان است. آنها در سال 2013 منتشر شدند.

"پلانک" "پژواک" انفجار بزرگ را اندازه گیری کرد که در سن کیهان در حدود 380 هزار سال ظاهر شد، دمای آن 2700 درجه بود. علاوه بر این، دما تغییر کرد. "پلانک" همچنین "ترکیب" جهان را تعیین کرد:

• تقریباً 5٪ - ستاره ها، غبار کیهانی، گاز کیهانی، کهکشان ها.
• تقریباً 27٪ جرم ماده تاریک است.
• حدود 70 درصد انرژی تاریک است.

فیزیکدان رابرت کالدول پیشنهاد کرد که انرژی تاریک قدرت رشد را دارد. و این انرژی فضا-زمان را جدا خواهد کرد. این دانشمند معتقد است کهکشان در بیست تا پنجاه میلیارد سال آینده دور خواهد شد. این فرآیند با گسترش روزافزون مرزهای کیهان رخ خواهد داد. این کهکشان راه شیری را از ستاره جدا می کند و آن نیز متلاشی می شود.

قدمت فضا حدود شصت میلیون سال اندازه گیری شد. خورشید به یک ستاره کوتوله در حال مرگ تبدیل می شود و سیارات از آن جدا می شوند. سپس زمین منفجر خواهد شد. در سی دقیقه آینده، فضا اتم ها را از هم جدا خواهد کرد. نتیجه نهایی، تخریب ساختار فضا-زمان خواهد بود.

کهکشان راه شیری کجا پرواز می کند؟

ستاره شناسان اورشلیم متقاعد شده اند که کهکشان راه شیری به حداکثر سرعت خود رسیده است که بالاتر از سرعت انبساط کیهان است. دانشمندان این را با تمایل کهکشان راه شیری به "جاذب بزرگ" توضیح می دهند که بزرگترین جاذبه است. اینگونه است که راه شیری صحرای کیهانی را ترک می کند.

دانشمندان از روش های مختلفی برای اندازه گیری سرعت انبساط کیهان استفاده می کنند، بنابراین هیچ نتیجه واحدی برای این پارامتر وجود ندارد.

در سال 1920، ادوین هابل دو چیز دریافت کرد که به او اجازه داد تا دیدگاه مردم جهان را متحول کند. یکی از آن‌ها بزرگ‌ترین تلسکوپ جهان در آن زمان بود و دیگری کشف جالبی توسط ستاره‌شناس همکار وستو اسلیفر بود، که آنچه را که ما اکنون کهکشان‌ها می‌نامیم را در سحابی دید و درخشش آن‌ها را که بسیار قرمزتر از حدس می‌شد، مجذوب خود کرد. او این را به redshift ربط داد.

تصور کنید که شما و شخص دیگری نزدیک یک طناب بلند ایستاده اید و هر ثانیه آن را می کشید. در این زمان، موجی در طول طناب حرکت می کند و به طرف مقابل می فهماند که طناب منقبض شده است. اگر بخواهید به سرعت از این شخص دور شوید، مسافتی که طی می کنید، موج باید بر هر ثانیه غلبه کند، و از دیدگاه دیگری، طناب هر 1.1 ثانیه یک بار شروع به تکان خوردن می کند. هر چه سریعتر بروید، زمان بیشتری برای طرف مقابل بین حرکات تند می گذرد.

در مورد امواج نور نیز همین اتفاق می افتد: هر چه منبع نور از ناظر دورتر باشد، قله های موج نادرتر می شوند و این آنها را به قسمت قرمز طیف نور منتقل می کند. اسلایفر به این نتیجه رسید که سحابی ها به دلیل دور شدن از زمین قرمز به نظر می رسند.

ادوین هابل

هابل یک تلسکوپ جدید گرفت و شروع به جستجوی تغییر رنگ قرمز کرد. او آن را در همه جا پیدا کرد، اما به نظر می‌رسید که برخی از ستاره‌ها تا حدودی «قرمزتر» از بقیه هستند: برخی از ستارگان و کهکشان‌ها فقط اندکی به قرمز منتقل شده بودند، اما گاهی اوقات انتقال به سرخ حداکثر بود. هابل پس از جمع آوری حجم زیادی از داده ها، نموداری را ایجاد کرد که نشان می دهد جابجایی یک جسم به قرمز به فاصله آن از زمین بستگی دارد.

بنابراین، در قرن بیستم ثابت شد که جهان در حال انبساط است. اکثر دانشمندانی که به داده‌ها نگاه می‌کردند، فرض می‌کردند که انبساط در حال کاهش است. برخی بر این باور بودند که جهان به تدریج تا حدی منبسط می شود که وجود دارد، اما هرگز به آن نمی رسد و برخی دیگر فکر می کردند که پس از رسیدن به این حد، جهان شروع به انقباض خواهد کرد. با این حال، ستاره شناسان راهی برای حل این مشکل پیدا کردند: برای این کار آنها به جدیدترین تلسکوپ ها و کمی کمک از کیهان در قالب ابرنواخترهای نوع 1A نیاز داشتند.

از آنجایی که می دانیم روشنایی با فاصله چقدر تغییر می کند، همچنین می دانیم که این ابرنواخترها چقدر از ما فاصله دارند و نور چند سال قبل از اینکه بتوانیم آن را ببینیم طی کرده است. و وقتی به انتقال نور به سرخ نگاه می کنیم، می دانیم که جهان در آن زمان چقدر منبسط شده است.

وقتی ستاره شناسان به ستارگان دور و باستان نگاه کردند، متوجه شدند که فاصله با درجه انبساط مطابقت ندارد. نور ستاره‌ها بیش از حد انتظار طول کشید تا به ما برسد، گویی انبساط در گذشته کندتر بوده است - بنابراین نشان می‌دهد که انبساط کیهان در حال شتاب است، نه کندتر.

بزرگترین اکتشافات علمی سال 2014

10 سوال اصلی در مورد کیهان که دانشمندان در حال حاضر به دنبال پاسخ برای آنها هستند

آیا آمریکایی ها روی ماه بوده اند؟

روسیه توانایی اکتشاف انسان در ماه را ندارد

10 راه که فضا می تواند انسان را بکشد

به این گرداب چشمگیر از زباله که سیاره ما را احاطه کرده است نگاه کنید

به صدای فضا گوش دهید

عجایب هفتگانه ماه

10 چیزی که مردم به دلایلی به استراتوسفر فرستادند

اگر در یک شب صاف و بدون ماه به آسمان نگاه کنید، به احتمال زیاد درخشان ترین اجرام سیارات زهره، مریخ، مشتری و زحل خواهند بود. و همچنین پراکندگی کاملی از ستارگان مشابه خورشید ما را خواهید دید، اما بسیار دورتر از ما قرار دارند. برخی از این ستارگان ثابت در واقع با حرکت زمین به دور خورشید کمی نسبت به یکدیگر حرکت می کنند. اصلاً بی حرکت نیستند! این به این دلیل اتفاق می افتد که چنین ستاره هایی نسبتاً به ما نزدیک هستند. به دلیل حرکت زمین به دور خورشید، ما این ستاره های نزدیکتر را در پس زمینه ستاره های دورتر از موقعیت های مختلف می بینیم. هنگامی که شما در حال رانندگی با ماشین هستید، همین اثر مشاهده می شود، و به نظر می رسد درختان کنار جاده موقعیت خود را در پس زمینه چشم انداز که به سمت افق کشیده شده اند تغییر می دهند (شکل 14). هر چه درختان نزدیکتر باشند، حرکت ظاهری آنها بیشتر قابل توجه است. به این تغییر موقعیت نسبی اختلاف منظر می گویند. در مورد ستارگان، این یک موفقیت واقعی برای بشریت است، زیرا اختلاف منظر به ما امکان می دهد مستقیماً فاصله آنها را اندازه گیری کنیم.

برنج. 14. اختلاف منظر ستاره ای.

چه در جاده حرکت کنید و چه در فضا، موقعیت نسبی اجسام دور و نزدیک با حرکت شما تغییر می کند. از بزرگی این تغییرات می توان برای تعیین فاصله بین اجسام استفاده کرد.

نزدیکترین ستاره، پروکسیما قنطورس، حدود چهار سال نوری یا چهل میلیون کیلومتر با ما فاصله دارد. بیشتر ستارگان دیگری که با چشم غیر مسلح قابل مشاهده هستند در چند صد سال نوری ما قرار دارند. برای مقایسه، از زمین تا خورشید فقط هشت دقیقه نوری وجود دارد! ستارگان در سراسر آسمان شب پراکنده هستند، اما به خصوص در نواری که ما راه شیری می نامیم متراکم هستند. در اوایل سال 1750، برخی از ستاره شناسان پیشنهاد کردند که ظاهر کهکشان راه شیری را می توان با این فکر توضیح داد که بیشتر ستارگان مرئی در یک پیکربندی قرصی شکل جمع آوری شده اند، مانند آنچه که ما اکنون کهکشان های مارپیچی می نامیم. تنها چند دهه بعد، ستاره شناس انگلیسی، ویلیام هرشل، صحت این ایده را تأیید کرد و تعداد ستارگانی را که از طریق تلسکوپ در نقاط مختلف آسمان قابل مشاهده است، شمارش کرد. با این حال، این ایده تنها در قرن بیستم به رسمیت شناخته شد. ما اکنون می دانیم که کهکشان راه شیری، کهکشان ما، تقریباً صد هزار سال نوری از انتها به انتها می گذرد و به آرامی می چرخد. ستارگان در بازوهای مارپیچی آن هر چند صد میلیون سال یک دور به دور مرکز کهکشان می چرخند. خورشید ما، یک ستاره زرد معمولی با اندازه متوسط، در لبه داخلی یکی از بازوهای مارپیچی قرار دارد. ما مطمئناً از زمان ارسطو و بطلمیوس، زمانی که مردم زمین را مرکز جهان می‌دانستند، راه زیادی را پیموده‌ایم.

تصویر مدرن از کیهان در سال 1924 ظاهر شد، زمانی که ستاره شناس آمریکایی ادوین هابل ثابت کرد که کهکشان راه شیری تنها کهکشان نیست. او کشف کرد که بسیاری از منظومه های ستاره ای دیگر وجود دارند که توسط فضاهای خالی وسیع از هم جدا شده اند. برای تایید این موضوع، هابل باید فاصله زمین تا کهکشان های دیگر را تعیین می کرد. اما کهکشان ها آنقدر دور هستند که برخلاف ستاره های نزدیک، در واقع بی حرکت به نظر می رسند. هابل که قادر به استفاده از اختلاف منظر برای اندازه گیری فاصله تا کهکشان ها نبود، مجبور شد از روش های غیرمستقیم برای تخمین فواصل استفاده کند. معیار واضح فاصله یک ستاره، روشنایی آن است. اما روشنایی ظاهری نه تنها به فاصله تا ستاره، بلکه به درخشندگی ستاره - میزان نوری که ساطع می کند - نیز بستگی دارد. یک ستاره کم نور نزدیک به ما از درخشان ترین ستاره یک کهکشان دور جلوتر خواهد بود. بنابراین، برای استفاده از روشنایی ظاهری به عنوان معیار فاصله، باید درخشندگی ستاره را بدانیم.

درخشندگی ستارگان نزدیک را می توان از روی درخشندگی ظاهری آنها محاسبه کرد زیرا به لطف اختلاف منظر، فاصله آنها را می دانیم. هابل خاطرنشان کرد که ستارگان نزدیک را می توان بر اساس ماهیت نوری که ساطع می کنند طبقه بندی کرد. ستارگان هم کلاس همیشه درخشندگی یکسانی دارند. او همچنین پیشنهاد کرد که اگر ستاره‌هایی از این طبقات را در یک کهکشان دور کشف کنیم، می‌توان به آن‌ها درخشندگی مشابهی با ستاره‌های مشابه نزدیک ما نسبت داد. با این اطلاعات به راحتی می توان فاصله کهکشان را محاسبه کرد. اگر محاسباتی که برای بسیاری از ستارگان در یک کهکشان انجام شده است فاصله یکسانی را نشان دهد، آنگاه می‌توانیم مطمئن باشیم که تخمین ما درست است. به این ترتیب ادوین هابل فاصله 9 کهکشان مختلف را محاسبه کرد.

امروزه می دانیم که ستارگانی که با چشم غیر مسلح قابل مشاهده هستند، بخش کوچکی از همه ستارگان را تشکیل می دهند. ما حدود 5000 ستاره در آسمان می بینیم - تنها حدود 0.0001٪ از کل ستارگان در کهکشان راه شیری ما. و کهکشان راه شیری تنها یکی از بیش از صد میلیارد کهکشان است که با تلسکوپ های مدرن قابل رصد هستند. و هر کهکشان حدود صد میلیارد ستاره دارد. اگر یک ستاره یک دانه نمک بود، تمام ستارگان قابل مشاهده با چشم غیر مسلح در یک قاشق چای خوری جای می گرفتند، اما ستارگان کل کیهان توپی به قطر بیش از سیزده کیلومتر را تشکیل می دادند.

ستاره ها آنقدر از ما دور هستند که به نظر می رسد نقاط نورانی هستند. ما نمی توانیم اندازه یا شکل آنها را تشخیص دهیم. اما همانطور که هابل اشاره کرد، انواع مختلفی از ستارگان وجود دارد، و ما می توانیم آنها را با رنگ تابشی که از خود ساطع می کنند، تشخیص دهیم. نیوتن کشف کرد که اگر نور خورشید از یک منشور شیشه ای سه وجهی عبور داده شود، مانند رنگین کمان به رنگ های تشکیل دهنده آن تقسیم می شود (شکل 15). شدت نسبی رنگ های مختلف در تابش ساطع شده از منبع نور را طیف آن می نامند. با تمرکز یک تلسکوپ بر روی یک ستاره یا کهکشان، می توانید طیف نوری که از آن ساطع می کند را مطالعه کنید.

برنج. 15. طیف ستاره ای.

با تجزیه و تحلیل طیف گسیل یک ستاره، می‌توان هم دمای آن و هم ترکیب جو آن را تعیین کرد.

از جمله، تابش یک جسم، قضاوت در مورد دمای آن را ممکن می کند. در سال 1860، گوستاو کیرشهوف، فیزیکدان آلمانی، ثابت کرد که هر جسم مادی، مانند ستاره، هنگامی که گرم می شود، نور یا تشعشعات دیگری از خود ساطع می کند، درست مانند زغال سنگ داغ. درخشش اجسام گرم شده به دلیل حرکت حرارتی اتم های درون آنهاست. به این تابش جسم سیاه می گویند (حتی اگر خود اجسام گرم شده سیاه نیستند). طیف تابش جسم سیاه را به سختی می توان با هر چیزی اشتباه گرفت: ظاهری مشخص دارد که با دمای بدن تغییر می کند (شکل 16). بنابراین، تابش یک جسم گرم شده مشابه خوانش دماسنج است. طیف تابشی که از ستارگان مختلف مشاهده می کنیم همیشه شبیه تابش یک جسم سیاه است، این یک نوع اطلاع رسانی در مورد دمای ستاره است.

برنج. 16. طیف تابش جسم سیاه.

همه اجسام - نه فقط ستارگان - به دلیل حرکت حرارتی ذرات میکروسکوپی تشکیل دهنده خود تابش ساطع می کنند. توزیع فرکانس تابش دمای بدن را مشخص می کند.

اگر نور ستارگان را از نزدیک مطالعه کنیم، اطلاعات بیشتری به ما می دهد. ما عدم وجود برخی رنگ های کاملاً مشخص را کشف خواهیم کرد و آنها برای ستاره های مختلف متفاوت خواهند بود. و از آنجایی که می دانیم هر عنصر شیمیایی مجموعه رنگ های مشخص خود را جذب می کند، با مقایسه این رنگ ها با رنگ هایی که در طیف ستاره وجود ندارند، می توانیم به طور دقیق تعیین کنیم که چه عناصری در جو آن وجود دارند.

در دهه 1920، زمانی که اخترشناسان شروع به مطالعه طیف ستارگان در کهکشان های دیگر کردند، چیز بسیار جالبی کشف کردند: مشخص شد که آنها دارای همان الگوهای مشخصه رنگ های گم شده مانند ستاره های کهکشان خودمان هستند، اما همه آنها به انتهای قرمز منتقل شدند. از طیف، و به همان نسبت. فیزیکدانان تغییر رنگ یا فرکانس را به عنوان اثر داپلر می شناسند.

همه ما با نحوه تأثیر این پدیده بر صدا آشنا هستیم. به صدای ماشینی که از آنجا می گذرد گوش دهید. وقتی نزدیک می شود، صدای موتور یا بوق آن بالاتر به نظر می رسد و وقتی ماشین قبلاً از آنجا رد شده و شروع به دور شدن کرده است، صدا کاهش می یابد. ماشین پلیسی که با سرعت صد کیلومتر در ساعت به سمت ما حرکت می کند، حدود یک دهم سرعت صوت را توسعه می دهد. صدای آژیر او موجی است، تاج ها و فرورفتگی های متناوب. به یاد بیاورید که فاصله بین نزدیکترین تاج ها (یا فرورفتگی ها) طول موج نامیده می شود. هر چه طول موج کوتاهتر باشد، ارتعاشات بیشتری در هر ثانیه به گوش ما می رسد و تن یا فرکانس صدا بالاتر می رود.

اثر داپلر ناشی از این واقعیت است که یک ماشین نزدیک‌تر، که هر تاج موج صوتی متوالی را ساطع می‌کند، به ما نزدیک‌تر می‌شود و در نتیجه، فاصله بین تاج‌ها کمتر از حالتی است که ماشین ثابت می‌ماند. این بدان معنی است که طول امواجی که به سمت ما می آیند کوتاهتر می شود و فرکانس آنها بیشتر می شود (شکل 17). برعکس، اگر ماشین دور شود، طول امواجی که می گیریم طولانی تر و فرکانس آنها کمتر می شود. و هرچه ماشین سریعتر حرکت کند، اثر داپلر قوی تر ظاهر می شود که استفاده از آن را برای اندازه گیری سرعت ممکن می کند.

برنج. 17. اثر داپلر.

هنگامی که منبع ساطع کننده امواج به سمت ناظر حرکت می کند، طول موج کاهش می یابد. با دور شدن منبع، برعکس، افزایش می یابد. این اثر داپلر نامیده می شود.

نور و امواج رادیویی رفتار مشابهی دارند. پلیس از اثر داپلر برای تعیین سرعت خودروها با اندازه گیری طول موج سیگنال رادیویی منعکس شده از آنها استفاده می کند. نور ارتعاشات یا امواج یک میدان الکترومغناطیسی است. همانطور که در فصل اشاره کردیم. 5، طول موج نور مرئی بسیار کوچک است - از چهل تا هشتاد میلیونیم متر.

چشم انسان طول موج های مختلف نور را به عنوان رنگ های مختلف درک می کند که طولانی ترین طول موج ها در انتهای قرمز طیف و کوتاه ترین آنها در انتهای آبی است. حال تصور کنید که یک منبع نور در فاصله ثابتی از ما قرار دارد، مانند یک ستاره که امواج نوری با طول موج مشخصی را ساطع می کند. طول امواج ثبت شده با امواج ساطع شده یکسان خواهد بود. اما اکنون فرض کنید که منبع نور شروع به دور شدن از ما کند. مانند صدا، این باعث افزایش طول موج نور می شود، به این معنی که طیف به سمت انتهای قرمز تغییر می کند.

هابل پس از اثبات وجود کهکشان های دیگر، در سال های بعد روی تعیین فواصل آنها و مشاهده طیف های آنها کار کرد. در آن زمان، بسیاری تصور می‌کردند که کهکشان‌ها به‌طور تصادفی حرکت می‌کنند و انتظار داشتند که تعداد طیف‌های جابه‌جا شده به آبی تقریباً با تعداد طیف‌های منتقل‌شده به قرمز برابر باشد. بنابراین، کشف اینکه طیف اکثر کهکشان‌ها یک تغییر قرمز را نشان می‌دهند کاملاً شگفت‌انگیز بود - تقریباً همه منظومه‌های ستاره‌ای در حال دور شدن از ما هستند! حتی شگفت‌انگیزتر این واقعیت بود که هابل کشف کرد و در سال 1929 عمومی شد: انتقال به سرخ کهکشان‌ها تصادفی نیست، بلکه با فاصله آنها از ما رابطه مستقیم دارد. به عبارت دیگر، هر چه کهکشان از ما دورتر باشد، سریعتر دور می شود! از این نتیجه حاصل شد که جهان نمی تواند ثابت و بدون تغییر اندازه باشد، همانطور که قبلا تصور می شد. در واقعیت، در حال گسترش است: فاصله بین کهکشان ها دائماً در حال افزایش است.

درک اینکه جهان در حال انبساط است، یک انقلاب واقعی در ذهن ایجاد کرد، یکی از بزرگترین انقلاب های قرن بیستم. در نگاهی به گذشته، ممکن است تعجب آور به نظر برسد که هیچ کس قبلاً به این موضوع فکر نکرده است. نیوتن و دیگر ذهن های بزرگ باید متوجه شده باشند که یک جهان ایستا ناپایدار خواهد بود. حتی اگر در لحظه ای بی حرکت باشد، جاذبه متقابل ستارگان و کهکشان ها به سرعت منجر به فشرده شدن آن می شود. حتی اگر جهان نسبتاً آهسته منبسط شود، گرانش در نهایت به انبساط آن پایان می دهد و باعث انقباض آن می شود. با این حال، اگر سرعت انبساط کیهان بیشتر از یک نقطه بحرانی خاص باشد، گرانش هرگز نمی تواند آن را متوقف کند و جهان برای همیشه به انبساط خود ادامه خواهد داد.

در اینجا شباهت مبهمی به موشکی که از سطح زمین بلند شده است وجود دارد. با سرعت نسبتا کم، گرانش در نهایت موشک را متوقف می کند و شروع به سقوط به سمت زمین می کند. از سوی دیگر، اگر سرعت موشک بالاتر از حد بحرانی باشد (بیش از 11.2 کیلومتر در ثانیه)، گرانش نمی تواند آن را نگه دارد و برای همیشه زمین را ترک می کند.

بر اساس نظریه گرانش نیوتن، این رفتار کیهان را می‌توان در هر زمانی در قرن نوزدهم یا هجدهم و حتی در پایان قرن هفدهم پیش‌بینی کرد. با این حال، اعتقاد به جهان ایستا آنقدر قوی بود که این توهم تا آغاز قرن بیستم قدرت خود را بر ذهن ها حفظ کرد. حتی انیشتین به قدری به ماهیت ایستا کیهان اطمینان داشت که در سال 1915 اصلاحیه خاصی در نظریه نسبیت عام ایجاد کرد و به طور مصنوعی اصطلاح خاصی را به معادلات اضافه کرد که ثابت کیهانی نامیده می شد که ماهیت ایستایی جهان را تضمین می کرد.
ثابت کیهانی خود را به عنوان عمل یک نیروی جدید خاص - "ضد گرانش" نشان داد، که بر خلاف سایر نیروها، منبع خاصی نداشت، اما صرفاً یک ویژگی جدایی ناپذیر ذاتی در بافت فضا-زمان بود. تحت تأثیر این نیرو، فضا-زمان تمایل ذاتی به انبساط را آشکار کرد. با انتخاب مقدار ثابت کیهانی، انیشتین می تواند قدرت این گرایش را تغییر دهد. با کمک آن، او توانست جاذبه متقابل همه مواد موجود را دقیقاً متعادل کند و در نتیجه یک جهان ساکن به دست آورد.
انیشتین بعداً ایده ثابت کیهانی را رد کرد و اعتراف کرد که این "بزرگترین اشتباه" اوست. همانطور که به زودی خواهیم دید، امروزه دلایلی وجود دارد که باور کنیم انیشتین ممکن است در معرفی ثابت کیهانی حق داشته باشد. اما چیزی که باید بیشتر از همه اینشتین را غمگین می کرد این بود که او اجازه داد اعتقادش به یک جهان ساکن این نتیجه را تحت الشعاع قرار دهد که جهان باید منبسط شود، پیش بینی شده توسط تئوری خودش. به نظر می رسد فقط یک نفر این پیامد نسبیت عام را دیده و آن را جدی گرفته است. در حالی که انیشتین و سایر فیزیکدانان به دنبال این بودند که چگونه از ماهیت غیر ساکن جهان اجتناب کنند، فیزیکدان و ریاضیدان روسی الکساندر فریدمن، برعکس، اصرار داشت که جهان در حال گسترش است.

فریدمن دو فرض بسیار ساده در مورد کیهان مطرح کرد: اینکه از هر جهتی که نگاه می کنیم یکسان به نظر می رسد، و اینکه این فرض صرف نظر از اینکه از کجا در کیهان نگاه می کنیم درست است. بر اساس این دو ایده و حل معادلات نسبیت عام، او ثابت کرد که جهان نمی تواند ساکن باشد. بنابراین، در سال 1922، چندین سال قبل از کشف ادوین هابل، فریدمن به طور دقیق انبساط جهان را پیش بینی کرد!

این فرض که جهان از هر جهت یکسان به نظر می رسد، کاملاً درست نیست. به عنوان مثال، همانطور که قبلاً می دانیم، ستارگان کهکشان ما یک نوار نوری مشخص در آسمان شب تشکیل می دهند - کهکشان راه شیری. اما اگر به کهکشان های دوردست نگاه کنیم، به نظر می رسد تعداد آنها در تمام نقاط آسمان کم و بیش برابر است. بنابراین جهان در هر جهتی که در مقیاس بزرگ در مقایسه با فاصله بین کهکشان ها مشاهده می شود تقریباً یکسان به نظر می رسد و تفاوت ها را در مقیاس های کوچک نادیده می گیرد.

تصور کنید که در جنگلی هستید که درختان به طور تصادفی رشد می کنند. با نگاهی به یک جهت، نزدیکترین درخت را در یک متری خود خواهید دید. در جهت دیگر نزدیکترین درخت سه متر فاصله خواهد داشت. در سومی، چندین درخت را در یک، دو و سه متری خود خواهید دید. به نظر می رسد جنگل در هیچ جهتی یکسان به نظر نمی رسد. اما اگر تمام درختان را در شعاع یک کیلومتری در نظر بگیرید، این نوع تفاوت ها به طور میانگین به دست می آید و خواهید دید که جنگل در همه جهات یکسان است (شکل 18).

برنج. 18. جنگل همسانگرد.

حتی اگر پراکندگی درختان در یک جنگل به طور کلی یکنواخت باشد، با بررسی دقیق تر ممکن است در برخی مناطق متراکم تر به نظر برسد. به همین ترتیب، کیهان در نزدیک‌ترین فضا به ما یکسان به نظر نمی‌رسد، در حالی که وقتی بزرگ‌نمایی می‌کنیم، بدون توجه به اینکه در کدام جهت مشاهده می‌کنیم، همان تصویر را می‌بینیم.

برای مدت طولانی، توزیع یکنواخت ستارگان به عنوان زمینه کافی برای پذیرش مدل فریدمن به عنوان اولین تقریب به تصویر واقعی کیهان بود. اما بعداً، یک تصادف خوشحال کننده شواهد بیشتری را نشان داد که فرض فریدمن توصیف شگفت آور دقیقی از جهان است. در سال 1965، دو فیزیکدان آمریکایی به نام‌های آرنو پنزیاس و رابرت ویلسون از آزمایشگاه‌های تلفن بل در نیوجرسی، در حال رفع اشکال یک گیرنده مایکروویو بسیار حساس بودند. (مایکروویوها تشعشعاتی با طول موج حدود یک سانتی متر هستند.) پنزیاس و ویلسون نگران بودند که گیرنده نویز بیشتری از حد انتظار تشخیص دهد. آنها مدفوع پرندگان را روی آنتن پیدا کردند و سایر علل احتمالی خرابی را از بین بردند، اما به زودی تمام منابع احتمالی تداخل را از بین بردند. این نویز از این جهت متفاوت بود که بدون توجه به چرخش زمین به دور محور خود و چرخش آن به دور خورشید، در تمام طول سال در تمام طول ساعت ثبت می شد. از آنجایی که حرکت زمین گیرنده را به بخش های مختلف فضا هدایت می کند، پنزیاس و ویلسون به این نتیجه رسیدند که نویز از خارج از منظومه شمسی و حتی از بیرون کهکشان می آید. به نظر می رسید که از تمام جهات فضا به یک اندازه آمده است. اکنون می دانیم که، مهم نیست که گیرنده به کجا اشاره می کند، این نویز به غیر از تغییرات ناچیز ثابت می ماند. بنابراین پنزیاس و ویلسون به طور تصادفی به یک مثال قابل توجه برخورد کردند که از فرضیه اول فریدمن مبنی بر یکسان بودن جهان در همه جهات حمایت می کرد.

منشا این صدای پس زمینه کیهانی چیست؟ تقریباً در همان زمانی که پنزیاس و ویلسون در حال بررسی صدای مرموز در گیرنده بودند، دو فیزیکدان آمریکایی در دانشگاه پرینستون، باب دیک و جیم پیبلز نیز به امواج مایکروویو علاقه مند شدند. آنها پیشنهاد گئورگی (جرج) گامو (که قبلاً شاگرد الکساندر فریدمن بود) را مطالعه کردند که در مراحل اولیه توسعه خود، جهان بسیار متراکم و سفید-گرم بود. دیک و پیبلز معتقد بودند که اگر این درست باشد، پس ما باید بتوانیم درخشش کیهان اولیه را مشاهده کنیم، زیرا نور از مناطق بسیار دور جهان ما اکنون به ما می رسد. با این حال، به دلیل انبساط کیهان، این نور باید آنقدر به انتهای قرمز طیف منتقل شود که از تشعشع مرئی به تشعشعات مایکروویو تبدیل شود. دیک و پیبلز در حال آماده شدن برای جستجوی این تشعشع بودند که پنزیاس و ویلسون با شنیدن کارشان متوجه شدند که قبلاً آن را پیدا کرده اند. برای این کشف، پنزیاس و ویلسون در سال 1978 جایزه نوبل را دریافت کردند (که برای دیک و پیبلز تا حدودی ناعادلانه به نظر می رسد، نه به گامو).

در نگاه اول، این واقعیت که جهان در هر جهتی یکسان به نظر می رسد نشان می دهد که ما در آن جایگاه ویژه ای داریم. به طور خاص، ممکن است به نظر برسد که از آنجایی که همه کهکشان ها از ما دور می شوند، پس ما باید در مرکز کیهان باشیم. با این حال، توضیح دیگری برای این پدیده وجود دارد: جهان ممکن است در همه جهات یکسان به نظر برسد، همچنین وقتی از هر کهکشان دیگری مشاهده شود. اگر به خاطر داشته باشید، این دقیقا دومین فرض فریدمن بود.

ما هیچ استدلال علمی برای یا علیه فرضیه دوم فریدمن نداریم. قرن ها پیش، کلیسای مسیحی آن را بدعت می دانست، زیرا آموزه کلیسا فرض می کرد که ما جایگاه ویژه ای در مرکز جهان داریم. اما امروز ما فرض فریدمن را تقریباً به دلیل مخالف، از روی نوعی فروتنی می پذیریم: برای ما کاملاً شگفت انگیز به نظر می رسد اگر جهان از همه جهات فقط برای ما یکسان باشد، اما برای سایر ناظران جهان نه!

در مدل فریدمن کیهان، همه کهکشان ها از یکدیگر دور می شوند. این یادآور پخش شدن لکه های رنگی روی سطح بادکنک باد شده است. با افزایش اندازه توپ، فاصله بین هر دو نقطه افزایش می یابد، اما هیچ یک از نقاط را نمی توان مرکز انبساط در نظر گرفت. علاوه بر این، اگر شعاع بالون دائماً در حال رشد باشد، هر چه نقاط روی سطح آن از هم دورتر باشند، با انبساط سریع‌تر از هم دور می‌شوند. فرض کنید شعاع بالون در هر ثانیه دو برابر می شود. سپس دو نقطه که ابتدا با فاصله یک سانتی متری از هم جدا شده اند، پس از یک ثانیه قبلاً دو سانتی متر از هم فاصله می گیرند (در امتداد سطح بالون اندازه گیری می شود) به طوری که سرعت نسبی آنها یک سانتی متر در ثانیه خواهد بود. از طرف دیگر، یک جفت لکه که ده سانتی متر از هم جدا شده اند، یک ثانیه پس از شروع انبساط، بیست سانتی متر از هم دور می شوند، به طوری که سرعت نسبی آنها ده سانتی متر در ثانیه خواهد بود (شکل 19). به طور مشابه، در مدل فریدمن، سرعت دور شدن هر دو کهکشان از یکدیگر متناسب با فاصله بین آنهاست. بنابراین، مدل پیش‌بینی می‌کند که انتقال به سرخ یک کهکشان باید مستقیماً متناسب با فاصله آن از ما باشد - این همان وابستگی است که هابل بعداً کشف کرد. اگرچه فریدمن توانست مدل موفقی را پیشنهاد کند و نتایج مشاهدات هابل را پیش بینی کند، اما کار او تقریباً در غرب ناشناخته ماند تا اینکه در سال 1935 مدل مشابهی توسط هاوارد رابرتسون، فیزیکدان آمریکایی و آرتور واکر، ریاضیدان بریتانیایی پیشنهاد شد. کشف هابل در مورد انبساط کیهان.

برنج. 19. جهان در حال گسترش یک بالون.

به دلیل انبساط کیهان، کهکشان ها از یکدیگر دور می شوند. با گذشت زمان، فاصله بین جزایر ستاره‌ای دور بیشتر از کهکشان‌های نزدیک افزایش می‌یابد، درست مانند لکه‌های روی یک بالن در حال باد کردن. بنابراین، به نظر ناظری از هر کهکشانی، سرعتی که کهکشان دیگری در حال دور شدن است، هر چه دورتر باشد، بیشتر به نظر می رسد.

فریدمن تنها یک مدل از جهان را پیشنهاد کرد. اما بر اساس فرضیاتی که او مطرح کرد، معادلات اینشتین سه دسته از راه‌حل‌ها را پذیرفته است، یعنی سه نوع مختلف از مدل‌های فریدمن و سه سناریو مختلف برای توسعه کیهان وجود دارد.

دسته اول راه حل ها (راه حلی که فریدمن یافت) فرض می کند که انبساط جهان به اندازه ای آهسته است که جاذبه بین کهکشان ها به تدریج کاهش می یابد و در نهایت آن را متوقف می کند. پس از این، کهکشان ها شروع به نزدیک شدن به یکدیگر می کنند و جهان شروع به کوچک شدن می کند. طبق طبقه دوم راه حل ها، جهان به قدری سریع در حال انبساط است که گرانش تنها اندکی سرعت عقب نشینی کهکشان ها را کاهش می دهد، اما هرگز نمی تواند آن را متوقف کند. در نهایت، راه حل سومی وجود دارد که بر اساس آن، جهان با سرعت مناسب در حال انبساط است تا از فروپاشی جلوگیری کند. با گذشت زمان، سرعت انبساط کهکشان ها کمتر و کمتر می شود، اما هرگز به صفر نمی رسد.

یکی از ویژگی های شگفت انگیز اولین مدل فریدمن این است که در آن جهان در فضا بی نهایت نیست، اما هیچ مرزی در هیچ کجای فضا وجود ندارد. گرانش آنقدر قوی است که فضا فرو می ریزد و در خود بسته می شود. این تا حدودی شبیه به سطح زمین است، که آن نیز محدود است، اما هیچ مرزی ندارد. اگر در امتداد سطح زمین در جهت خاصی حرکت کنید، هرگز با مانع غیرقابل عبور یا پایان جهان روبرو نخواهید شد، اما در نهایت به همان جایی که شروع کرده اید باز می گردید. در مدل اول فریدمن، فضا دقیقاً به همان شکل چیده شده است، اما به جای دو بعدی، مانند سطح زمین. این ایده که می توان به دور کیهان رفت و به نقطه شروع بازگشت، برای داستان های علمی تخیلی خوب است، اما هیچ اهمیت عملی ندارد، زیرا همانطور که می توان ثابت کرد، قبل از اینکه مسافر به ابتدای زندگی خود بازگردد، جهان تا یک نقطه کوچک می شود. سفر. جهان به قدری بزرگ است که شما باید سریعتر از نور حرکت کنید تا سفر خود را از جایی که شروع کرده اید به پایان برسانید و چنین سرعت هایی ممنوع است (توسط نظریه نسبیت. - ترجمه). در مدل دوم فریدمن، فضا نیز منحنی است، اما به شکلی متفاوت. و تنها در مدل سوم، هندسه بزرگ مقیاس جهان مسطح است (اگرچه فضا در مجاورت اجسام عظیم منحنی است).

کدام مدل فریدمن جهان ما را توصیف می کند؟ آیا انبساط کیهان هرگز متوقف می شود و فشرده سازی جایگزین آن می شود یا جهان برای همیشه گسترش می یابد؟

مشخص شد که پاسخ دادن به این سوال دشوارتر از آن چیزی است که دانشمندان در ابتدا تصور می کردند. راه حل آن عمدتاً به دو چیز بستگی دارد - سرعت مشاهده شده در حال حاضر انبساط کیهان و چگالی متوسط ​​فعلی آن (مقدار ماده در واحد حجم فضا). هر چه سرعت انبساط جریان بیشتر باشد، گرانش و در نتیجه چگالی ماده برای توقف انبساط بیشتر مورد نیاز است. اگر چگالی متوسط ​​بالاتر از یک مقدار بحرانی خاص باشد (که با سرعت انبساط تعیین می شود)، جاذبه گرانشی ماده می تواند انبساط کیهان را متوقف کند و باعث انقباض آن شود. این رفتار جهان با اولین مدل فریدمن مطابقت دارد. اگر چگالی متوسط ​​کمتر از مقدار بحرانی باشد، جاذبه گرانشی انبساط را متوقف نخواهد کرد و جهان برای همیشه منبسط خواهد شد - مانند مدل دوم فریدمن. در نهایت، اگر چگالی متوسط ​​کیهان دقیقاً برابر با مقدار بحرانی باشد، انبساط کیهان برای همیشه کند می‌شود و به حالت ایستا نزدیک‌تر و نزدیک‌تر می‌شود، اما هرگز به آن نمی‌رسد. این سناریو با مدل سوم فریدمن مطابقت دارد.

پس کدام مدل صحیح است؟ اگر سرعت دور شدن کهکشان های دیگر از ما را با استفاده از اثر داپلر اندازه گیری کنیم، می توانیم نرخ فعلی انبساط کیهان را تعیین کنیم. این را می توان بسیار دقیق انجام داد. با این حال، فاصله تا کهکشان ها چندان شناخته شده نیست، زیرا ما فقط می توانیم آنها را به طور غیر مستقیم اندازه گیری کنیم. بنابراین، ما فقط می دانیم که نرخ انبساط کیهان از 5 تا 10 درصد در هر میلیارد سال است. دانش ما از چگالی متوسط ​​فعلی کیهان حتی مبهم‌تر است. بنابراین، اگر جرم تمام ستارگان قابل مشاهده در کهکشان های خودمان و دیگر کهکشان ها را جمع کنیم، این مجموع کمتر از یک صدم چیزی است که برای متوقف کردن انبساط کیهان لازم است، حتی در پایین ترین تخمین نرخ انبساط.

اما این همه ماجرا نیست. کهکشان ما و سایر کهکشان‌ها باید حاوی مقادیر زیادی از نوعی «ماده تاریک» باشند که نمی‌توانیم مستقیماً آن‌ها را مشاهده کنیم، اما وجود آن را به دلیل تأثیر گرانشی آن بر مدار ستارگان در کهکشان‌ها می‌دانیم. شاید بهترین شواهد برای وجود ماده تاریک از مدار ستارگان در حاشیه کهکشان های مارپیچی مانند کهکشان راه شیری باشد. این ستارگان خیلی سریع به دور کهکشان‌های خود می‌چرخند و نمی‌توانند توسط نیروی گرانشی ستاره‌های مرئی کهکشان به تنهایی در مدار باشند. علاوه بر این، بیشتر کهکشان ها بخشی از خوشه ها هستند، و ما به طور مشابه می توانیم وجود ماده تاریک بین کهکشان ها در این خوشه ها را از تأثیر آن بر حرکت کهکشان ها استنباط کنیم. در واقع، مقدار ماده تاریک در جهان بسیار بیشتر از مقدار ماده معمولی است. اگر تمام ماده تاریک را در نظر بگیریم، حدود یک دهم جرم مورد نیاز برای توقف انبساط را بدست می آوریم.

با این حال، ما نمی‌توانیم وجود اشکال دیگری از ماده را که هنوز برای ما شناخته نشده‌اند، که تقریباً به طور مساوی در سراسر جهان توزیع شده‌اند، که می‌توانند چگالی متوسط ​​آن را افزایش دهند، رد کنیم. به عنوان مثال، ذرات بنیادی به نام نوترینو وجود دارند که برهمکنش بسیار ضعیفی با ماده دارند و تشخیص آنها بسیار دشوار است.

(یکی از آزمایشات جدید نوترینو از یک مخزن زیرزمینی پر از 50000 تن آب استفاده می کند.) تصور می شود که نوترینوها بی وزن هستند و بنابراین کشش گرانشی ندارند.

با این حال، مطالعات در چند سال گذشته نشان می دهد که نوترینوها هنوز دارای جرم بسیار کوچکی هستند که قبلاً قابل تشخیص نبود. اگر نوترینوها جرم داشته باشند، می توانند نوعی ماده تاریک باشند. با این حال، حتی با وجود این ماده تاریک، به نظر می رسد که ماده بسیار کمتری در جهان وجود دارد که برای متوقف کردن انبساط آن لازم است. تا همین اواخر، اکثر فیزیکدانان موافق بودند که مدل دوم فریدمن به واقعیت نزدیک است.

اما سپس مشاهدات جدیدی ظاهر شد. در چند سال گذشته، گروه‌های مختلفی از محققان در حال بررسی امواج کوچک در پس‌زمینه مایکروویو هستند که پنزیاس و ویلسون کشف کردند. اندازه این امواج می تواند به عنوان شاخصی از ساختار بزرگ مقیاس جهان باشد. به نظر می رسد که شخصیت آن نشان می دهد که در نهایت جهان تخت است (مانند مدل سوم فریدمن)! اما از آنجایی که مقدار کل ماده معمولی و تاریک برای این کار کافی نیست، فیزیکدانان وجود ماده دیگری را که هنوز کشف نشده است - انرژی تاریک فرض کردند.

و گویی برای پیچیده تر کردن مشکل، مشاهدات اخیر نشان داده اند که انبساط کیهان کند نمی شود، بلکه شتاب می گیرد. بر خلاف تمام مدل های فریدمن! این بسیار عجیب است، زیرا وجود ماده در فضا - چگالی زیاد یا کم - فقط می تواند انبساط را کاهش دهد. به هر حال، گرانش همیشه به عنوان یک نیروی جذاب عمل می کند. تسریع انبساط کیهانی مانند بمبی است که پس از منفجر شدن، انرژی را جمع‌آوری می‌کند نه اتلاف. چه نیرویی مسئول گسترش شتابان فضا است؟ هیچ کس پاسخ قابل اعتمادی برای این سوال ندارد. با این حال، ممکن است انیشتین زمانی که ثابت کیهانی (و اثر ضد گرانش مربوطه) را در معادلات خود وارد کرد، حق با او بود.

با توسعه فناوری های جدید و ظهور تلسکوپ های فضایی عالی، ما دائماً چیزهای شگفت انگیزی در مورد کیهان یاد می گیریم. و این خبر خوب است: ما اکنون می دانیم که جهان در آینده نزدیک با سرعت فزاینده ای به انبساط خود ادامه خواهد داد، و زمان وعده می دهد که برای همیشه باقی بماند، حداقل برای کسانی که به اندازه کافی عاقل هستند که در سیاهچاله نیفتند. اما در همان لحظات اول چه اتفاقی افتاد؟ کیهان چگونه آغاز شد و چه چیزی باعث انبساط آن شد؟

حتی منجمان همیشه انبساط کیهان را به درستی درک نمی کنند. بادکنک در حال باد کردن یک قیاس قدیمی اما خوب برای انبساط کیهان است. کهکشان هایی که روی سطح توپ قرار دارند بی حرکت هستند، اما با انبساط جهان، فاصله بین آنها افزایش می یابد، اما اندازه خود کهکشان ها افزایش نمی یابد.

در جولای 1965، دانشمندان کشف نشانه‌های واضحی از انبساط کیهان را از حالت اولیه داغتر و متراکم‌تر اعلام کردند. آن‌ها پس‌درخشش خنک‌کننده بیگ بنگ را پیدا کردند - تشعشعات باقی‌مانده. از آن لحظه به بعد، انبساط و سرد شدن کیهان اساس کیهان شناسی را تشکیل داد. انبساط کیهانی به ما این امکان را می دهد که بفهمیم ساختارهای ساده چگونه شکل گرفتند و چگونه به تدریج به ساختارهای پیچیده تبدیل شدند. 75 سال پس از کشف انبساط کیهان، بسیاری از دانشمندان نمی توانند به معنای واقعی آن نفوذ کنند. جیمز پیبلز، کیهان‌شناس دانشگاه پرینستون که تابش پس‌زمینه مایکروویو کیهانی را مطالعه می‌کند، در سال 1993 نوشت: «به نظر من حتی کارشناسان هم نمی‌دانند اهمیت و قابلیت‌های مدل انفجار بزرگ چیست».

فیزیکدانان مشهور، نویسندگان کتاب های درسی نجوم و رواج دهندگان علم، گاهی تفسیر نادرست یا تحریف شده ای از انبساط کیهان ارائه می دهند، که اساس مدل انفجار بزرگ را تشکیل می دهد. وقتی می گوییم جهان در حال انبساط است یعنی چه؟ مطمئناً نگران‌کننده است که اکنون صحبت از تسریع گسترش است و ما را گیج می‌کند.

بررسی: یک سوء تفاهم کیهانی

* انبساط کیهان، یکی از مفاهیم بنیادی علم مدرن، هنوز تعابیر متفاوتی دریافت می کند.

* اصطلاح "بیگ بنگ" را نباید به معنای واقعی کلمه در نظر گرفت. او بمبی نبود که در مرکز کیهان منفجر شود. این انفجار خود فضا بود که در همه جا رخ داد، درست همانطور که سطح یک بالون باد شده منبسط می شود.

* درک تفاوت بین انبساط فضا و انبساط در فضا برای درک اندازه کیهان، سرعت دور شدن کهکشان‌ها و همچنین قابلیت‌های مشاهدات نجومی و ماهیت شتاب انبساط احتمالی جهان بسیار مهم است. را تجربه می کند.

* مدل بیگ بنگ تنها اتفاقات پس از آن را توصیف می کند.

پسوند چیست؟

هنگامی که چیزی آشنا گسترش می یابد، مانند یک نقطه مرطوب یا امپراتوری روم، آنها بزرگتر می شوند، مرزهای آنها گسترش می یابد، و آنها شروع به اشغال فضای بیشتری می کنند. اما به نظر می رسد که جهان هیچ محدودیت فیزیکی ندارد و جایی برای حرکت وجود ندارد. انبساط کیهان ما بسیار شبیه باد کردن یک بالون است. فاصله تا کهکشان های دور در حال افزایش است. به طور معمول، ستاره شناسان می گویند که کهکشان ها در حال دور شدن یا فرار از ما هستند، اما آنها در فضا حرکت نمی کنند، مانند قطعاتی از "بمب بیگ بنگ". در واقعیت، فضای بین ما و کهکشان‌هایی که به‌طور بی‌نظمی در داخل خوشه‌های تقریباً بی‌حرک حرکت می‌کنند، در حال گسترش است. CMB جهان را پر می کند و مانند سطح لاستیکی یک بالون به عنوان یک چارچوب مرجع عمل می کند که حرکت را می توان با آن اندازه گیری کرد.

در خارج از توپ، می بینیم که گسترش سطح دو بعدی منحنی آن تنها به دلیل قرار گرفتن در فضای سه بعدی امکان پذیر است. در بعد سوم، مرکز توپ قرار دارد و سطح آن به حجم اطراف آن منبسط می شود. بر این اساس می توان نتیجه گرفت که گسترش دنیای سه بعدی ما مستلزم حضور بعد چهارم در فضا است. اما طبق نظریه نسبیت عام اینشتین، فضا پویا است: می تواند منبسط، منقبض و خم شود.

راهبندان

کائنات خودکفا است. نه مرکزی برای گسترش از آن لازم است و نه فضای آزاد در بیرون (هر کجا که باشد) تا آنجا گسترش یابد. درست است، برخی از نظریه‌های جدیدتر، مانند نظریه ریسمان، وجود ابعاد اضافی را فرض می‌کنند، اما با انبساط جهان سه‌بعدی ما، به آنها نیازی نیست.

در جهان ما، مانند روی سطح یک بالون، هر جسم از همه چیز دور می شود. بنابراین، بیگ بنگ یک انفجار در فضا نبود، بلکه انفجار خود فضا بود که در یک مکان خاص رخ نداد و سپس به فضای خالی اطراف گسترش پیدا کرد. همه جا همزمان اتفاق افتاد.

انفجار بزرگ چگونه بود؟

اشتباه: کائنات زمانی متولد شد که ماده مانند بمبی در مکانی خاص منفجر شد. فشار در مرکز زیاد و در فضای خالی اطراف کم بود که باعث پراکندگی ماده شد.

درست: این انفجار خود فضا بود که ماده را به حرکت در آورد. فضا و زمان ما در بیگ بنگ به وجود آمد و شروع به گسترش کرد. هیچ مرکزی وجود نداشت، زیرا ... شرایط در همه جا یکسان بود، هیچ افت فشار مشخصه یک انفجار معمولی وجود نداشت.

اگر تصور کنیم که فیلم را به ترتیب معکوس پخش می کنیم، خواهیم دید که چگونه تمام مناطق کیهان فشرده می شوند و کهکشان ها به هم نزدیک می شوند تا زمانی که همه آنها در بیگ بنگ با هم برخورد کنند، مانند اتومبیل هایی که در ترافیک هستند. اما مقایسه در اینجا کامل نیست. اگر تصادفی رخ داد، می‌توانید پس از شنیدن گزارش‌هایی در مورد آن از رادیو، در اطراف راهبند رانندگی کنید. اما بیگ بنگ فاجعه ای بود که نمی شد از آن اجتناب کرد. انگار سطح زمین و تمام جاده های روی آن مچاله شده بود، اما ماشین ها به همان اندازه ماندند. در نهایت اتومبیل ها با هم برخورد می کردند و هیچ پیام رادیویی نمی توانست از آن جلوگیری کند. بیگ بنگ هم همینطور است: این انفجار در همه جا اتفاق افتاد، برخلاف انفجار بمب، که در یک نقطه خاص اتفاق می افتد و قطعات در همه جهات پرواز می کنند.

تئوری بیگ بنگ اندازه کیهان یا حتی متناهی یا نامتناهی بودن آن را به ما نمی گوید. نظریه نسبیت توضیح می دهد که چگونه هر منطقه از فضا منبسط می شود، اما چیزی در مورد اندازه یا شکل نمی گوید. کیهان شناسان گاهی اوقات ادعا می کنند که جهان زمانی بزرگتر از یک گریپ فروت نبوده است، اما منظور آنها تنها بخشی از آن است که اکنون می توانیم مشاهده کنیم.

ساکنان سحابی آندرومدا یا دیگر کهکشان ها جهان های قابل مشاهده خود را دارند. رصدگران در آندرومدا می توانند کهکشان هایی را ببینند که برای ما غیرقابل دسترس هستند فقط به این دلیل که کمی به آنها نزدیک تر هستند. اما آنها نمی توانند به مواردی که ما در نظر می گیریم فکر کنند. جهان قابل مشاهده آنها نیز به اندازه یک گریپ فروت بود. می توان تصور کرد که کیهان اولیه مانند توده ای از این میوه ها بود که بی پایان در همه جهات کشیده شده بود. این بدان معناست که این تصور که بیگ بنگ "کوچک" بوده اشتباه است. فضای کیهان نامحدود است. و مهم نیست که چگونه آن را فشار دهید، همان طور خواهد ماند.

سریعتر از نور

تصورات نادرست همچنین می تواند با توصیف کمی از گسترش مرتبط باشد. سرعت افزایش فاصله بین کهکشان ها از الگوی ساده ای پیروی می کند که توسط ستاره شناس آمریکایی ادوین هابل در سال 1929 کشف شد: سرعت دور شدن کهکشان، v، مستقیماً با فاصله آن d از ما یا v = Hd متناسب است. ضریب تناسب H ثابت هابل نامیده می شود و میزان انبساط فضا را هم در اطراف ما و هم در اطراف هر ناظری در کیهان تعیین می کند.

چیزی که برای برخی گیج کننده است این است که همه کهکشان ها از قانون هابل پیروی نمی کنند. نزدیکترین کهکشان بزرگ به ما (آندرومدا) عموماً به سمت ما حرکت می کند و از ما دور نمی شود. چنین استثنایی به این دلیل رخ می دهد که قانون هابل فقط رفتار متوسط ​​کهکشان ها را توصیف می کند. اما هر یک از آنها می توانند حرکت مختصری نیز داشته باشند، زیرا کهکشان ها مانند کهکشان ما و آندرومدا تأثیر گرانشی بر یکدیگر دارند. کهکشان های دور نیز سرعت های هرج و مرج کوچکی دارند، اما در فاصله زیاد از ما (با مقدار زیاد d)، این سرعت های تصادفی در برابر پس زمینه سرعت های بزرگ در حال پسرفت (v) ناچیز هستند. بنابراین، برای کهکشان های دور، قانون هابل با دقت بالایی مطابقت دارد.

طبق قانون هابل، جهان با سرعت ثابتی منبسط نمی شود. برخی از کهکشان ها با سرعت 1000 کیلومتر بر ثانیه از ما دور می شوند، برخی دیگر با سرعت 2 هزار کیلومتر بر ثانیه و غیره دو برابر دورتر از ما قرار دارند. بنابراین، قانون هابل نشان می دهد که کهکشان ها با شروع از فاصله معینی که فاصله هابل نامیده می شود، با سرعت های فوق العاده دور می شوند. برای مقدار اندازه گیری شده ثابت هابل، این فاصله حدود 14 میلیارد سال نوری است.

اما آیا نظریه نسبیت خاص اینشتین نمی گوید که هیچ جسمی نمی تواند سریعتر از سرعت نور حرکت کند؟ این سوال نسل های زیادی از دانش آموزان را متحیر کرده است. و پاسخ این است که تئوری نسبیت خاص فقط برای سرعت های "عادی" - برای حرکت در فضا - قابل استفاده است. قانون هابل به نرخ رکود ناشی از انبساط خود فضا اشاره دارد تا حرکت در فضا. این اثر نسبیت عام تابع نسبیت خاص نیست. وجود سرعت حذف بالاتر از سرعت نور به هیچ وجه تئوری نسبیت خاص را نقض نمی کند. هنوز هم درست است که هیچ کس نمی تواند به پرتو نور برسد.

آیا کهکشان ها می توانند با سرعتی سریعتر از سرعت نور حذف شوند؟

اشتباه: نظریه نسبیت جزئی اینشتین این را ممنوع می کند. منطقه ای از فضا را در نظر بگیرید که شامل چندین کهکشان است. به دلیل انبساط آن، کهکشان ها از ما دور می شوند. هر چه کهکشان دورتر باشد، سرعت آن بیشتر می شود (فلش های قرمز). اگر سرعت نور حد باشد، سرعت حذف باید در نهایت ثابت شود.

درست: البته که می توانند. نظریه نسبیت جزئی سرعت حذف را در نظر نمی گیرد. سرعت حذف با فاصله بی نهایت افزایش می یابد. فراتر از فاصله معینی که فاصله هابل نامیده می شود، از سرعت نور فراتر می رود. این نقض نظریه نسبیت نیست، زیرا حذف به دلیل حرکت در فضا نیست، بلکه به دلیل گسترش خود فضا است.

آیا امکان دیدن کهکشان هایی که سریعتر از نور می روند وجود دارد؟

اشتباه: البته که نه. نور چنین کهکشانی با آنها پرواز می کند. بگذارید کهکشان فراتر از فاصله هابل (کره) باشد، یعنی. سریعتر از سرعت نور از ما دور می شود. یک فوتون ساطع می کند (که با رنگ زرد مشخص شده است). همانطور که فوتون در فضا پرواز می کند، خود فضا منبسط می شود. فاصله تا زمین سریعتر از حرکت فوتون افزایش می یابد. هرگز به ما نمی رسد.

درست: البته شما می توانید، زیرا سرعت گسترش در طول زمان تغییر می کند. اول، فوتون در واقع توسط انبساط منتقل می شود. با این حال، فاصله هابل ثابت نیست: افزایش می یابد و در نهایت فوتون می تواند وارد کره هابل شود. هنگامی که این اتفاق بیفتد، فوتون سریعتر از زمین در حال دور شدن حرکت می کند و می تواند به ما برسد.

کشش فوتون

اولین مشاهدات نشان می دهد که جهان در حال انبساط است بین سال های 1910 و 1930 انجام شد. در آزمایشگاه، اتم ها نور را ساطع و جذب می کنند، همیشه در طول موج های خاص. همین امر در طیف کهکشان های دور مشاهده می شود، اما با تغییر به طول موج های بلندتر. اخترشناسان می گویند تابش کهکشان به قرمز منتقل شده است. توضیح ساده است: با گسترش فضا، موج نور کشیده می شود و در نتیجه ضعیف می شود. اگر در طول مدت زمانی که موج نور به ما رسید، جهان دو بار منبسط شد، سپس طول موج دو برابر شد و انرژی آن به نصف کاهش یافت.

فرضیه خستگی

هر بار که Scientific American مقاله ای در مورد کیهان شناسی منتشر می کند، بسیاری از خوانندگان برای ما می نویسند که فکر می کنند کهکشان ها واقعاً از ما دور نمی شوند و گسترش فضا یک توهم است. آنها معتقدند که انتقال به سرخ در طیف کهکشان ها ناشی از چیزی شبیه "خستگی" ناشی از یک سفر طولانی است. برخی از فرآیندهای ناشناخته باعث می شود که نور، همانطور که در فضا حرکت می کند، انرژی خود را از دست بدهد و در نتیجه قرمز شود.

این فرضیه بیش از نیم قرن قدمت دارد و در نگاه اول منطقی به نظر می رسد. اما کاملاً با مشاهدات ناسازگار است. به عنوان مثال، هنگامی که یک ستاره به عنوان یک ابرنواختر منفجر می شود، شعله ور می شود و سپس کم نور می شود. کل فرآیند برای ابرنواخترهایی از آن نوع که ستاره شناسان برای تعیین فاصله تا کهکشان ها از آن استفاده می کنند، حدود دو هفته طول می کشد. در این دوره زمانی، ابرنواختر جریانی از فوتون ها را ساطع می کند. فرضیه خستگی نوری می‌گوید که فوتون‌ها در طول مسیر انرژی خود را از دست می‌دهند، اما ناظر همچنان جریانی از فوتون‌ها را دریافت می‌کند که دو هفته طول می‌کشد.

با این حال، در فضای در حال گسترش، نه تنها خود فوتون ها کشیده می شوند (و بنابراین انرژی خود را از دست می دهند)، بلکه جریان آنها نیز کشیده می شود. بنابراین، بیش از دو هفته طول می کشد تا همه فوتون ها به زمین برسند. مشاهدات این تأثیر را تأیید می کند. یک انفجار ابرنواختری در کهکشانی با انتقال به سرخ 0.5 به مدت سه هفته و در کهکشانی با انتقال به سرخ 1 - یک ماه مشاهده می شود.

فرضیه خستگی نوری همچنین با مشاهدات طیف تابش پس‌زمینه مایکروویو کیهانی و اندازه‌گیری روشنایی سطح کهکشان‌های دور در تضاد است. زمان بازنشستگی "نور خسته" (چارلز لاینویور و تامارا دیویس) فرا رسیده است.

ابرنواخترها، مانند این ابرنواختر در خوشه کهکشانی Virgo، به اندازه گیری انبساط کیهانی کمک می کنند. ویژگی‌های مشاهده‌شده آن‌ها نظریه‌های کیهانی جایگزین را که در آن فضا گسترش نمی‌یابد، رد می‌کند.

فرآیند را می توان بر حسب دما توصیف کرد. فوتون های ساطع شده از یک جسم دارای توزیع انرژی هستند که به طور کلی با درجه حرارت مشخص می شود که نشان می دهد بدن چقدر گرم است. همانطور که فوتون ها در فضای در حال گسترش حرکت می کنند، انرژی خود را از دست می دهند و دمای آنها کاهش می یابد. بنابراین، با انبساط کیهان، مانند هوای فشرده ای که از مخزن غواصان خارج می شود، سرد می شود. به عنوان مثال، تابش پس زمینه مایکروویو کیهانی اکنون دمایی در حدود 3 کلوین دارد، در حالی که در دمای حدود 3000 کلوین متولد شده است. اما از آن زمان، اندازه کیهان 1000 برابر شده است و دمای فوتون ها افزایش یافته است. به همان میزان کاهش یافت. ستاره شناسان با مشاهده گاز در کهکشان های دوردست به طور مستقیم دمای این تابش را در گذشته های دور اندازه گیری می کنند. اندازه گیری ها تأیید می کند که جهان در طول زمان در حال خنک شدن است.

همچنین در مورد رابطه بین انتقال به قرمز و سرعت اختلاف نظر وجود دارد. انتقال به سرخ ناشی از انبساط اغلب با جابجایی به قرمز آشناتر ناشی از اثر داپلر اشتباه گرفته می شود، که معمولاً در صورت دور شدن منبع صدا امواج صوتی را طولانی تر می کند. همین امر در مورد امواج نور نیز صادق است، که با دور شدن منبع نور در فضا طولانی تر می شوند.

انتقال قرمز داپلر و انتقال به سرخ کیهانی چیزهای کاملاً متفاوتی هستند و با فرمول های مختلفی توصیف می شوند. اولی از نظریه نسبیت خاص که انبساط فضا را در نظر نمی گیرد و دومی از نظریه نسبیت عام ناشی می شود. این دو فرمول برای کهکشان های نزدیک تقریباً یکسان است، اما برای کهکشان های دور متفاوت است.

بر اساس فرمول داپلر، اگر سرعت جسمی در فضا به سرعت نور نزدیک شود، انتقال آن به سرخ به سمت بی نهایت میل می کند و طول موج بیش از حد طولانی و در نتیجه غیر قابل مشاهده می شود. اگر این موضوع در مورد کهکشان ها صادق بود، دورترین اجرام قابل مشاهده در آسمان با سرعتی بسیار کمتر از سرعت نور دور می شدند. اما فرمول کیهان‌شناختی انتقال به سرخ منجر به نتیجه‌گیری متفاوتی می‌شود. در مدل استاندارد کیهان‌شناسی، کهکشان‌هایی با جابه‌جایی به سرخ حدود 1.5 (یعنی طول موج فرضی تابش آنها 50 درصد بیشتر از مقدار آزمایشگاهی است) با سرعت نور دور می‌شوند. ستاره شناسان تاکنون حدود 1000 کهکشان با جابه جایی به سرخ بیش از 1.5 کشف کرده اند. این بدان معناست که ما حدود 1000 جسم را می شناسیم که سریعتر از سرعت نور دور می شوند. CMB حتی از فاصله دورتری می آید و حدود 1000 انتقال به سرخ دارد. وقتی پلاسمای داغ کیهان جوان تشعشعی را که ما امروز دریافت می کنیم ساطع کرد، تقریباً 50 برابر سریعتر از سرعت نور از ما دور می شد.

در جای خود دویدن

سخت است باور کنیم که بتوانیم کهکشان هایی را با سرعتی بیشتر از سرعت نور ببینیم، اما این به دلیل تغییر در سرعت انبساط امکان پذیر است. تصور کنید یک پرتو نور از فاصله ای بیشتر از فاصله هابل (14 میلیارد سال نوری) به سمت ما می آید. با سرعت نور نسبت به مکانش به سمت ما حرکت می کند، اما خودش سریعتر از سرعت نور از ما دور می شود. اگرچه نور با بیشترین سرعت ممکن به سمت ما می تازد، اما نمی تواند با انبساط فضا همگام شود. مثل این است که کودکی می خواهد از پله برقی به سمت عقب بدود. فوتون ها در فاصله هابل با بیشترین سرعت ممکن حرکت می کنند تا در همان مکان باقی بمانند.

ممکن است فکر کنید که نور از مناطق دورتر از فاصله هابل هرگز نمی تواند به ما برسد و ما هرگز آن را نخواهیم دید. اما فاصله هابل ثابت نمی ماند، زیرا ثابت هابل که به آن بستگی دارد با زمان تغییر می کند. این مقدار متناسب با سرعتی است که دو کهکشان در حال دور شدن هستند، تقسیم بر فاصله بین آنها. (هر دو کهکشان را می توان برای محاسبه استفاده کرد.) در مدل هایی از کیهان که با مشاهدات نجومی مطابقت دارند، مخرج سریعتر از عدد افزایش می یابد، بنابراین ثابت هابل کاهش می یابد. در نتیجه فاصله هابل افزایش می یابد. اگر چنین است، نوری که در ابتدا به ما نرسیده است ممکن است در نهایت به فاصله هابل بیاید. سپس فوتون‌ها در منطقه‌ای قرار می‌گیرند که سرعت آن کمتر از سرعت نور است و پس از آن می‌توانند به ما برسند.

آیا شیفت قرمز کیهانی واقعاً یک تغییر داپلر است؟

اشتباه: بله، زیرا کهکشان های در حال عقب نشینی در فضا حرکت می کنند. در اثر داپلر، امواج نور با دور شدن منبع آنها از ناظر کشیده می شوند (قرمزتر می شوند). طول موج نور با حرکت در فضا تغییر نمی کند. ناظر نور را دریافت می کند، انتقال به سرخ آن را اندازه می گیرد و سرعت کهکشان را محاسبه می کند.

درست: خیر، انتقال به سرخ ربطی به اثر داپلر ندارد. کهکشان تقریباً در فضا بی حرکت است، بنابراین نوری با طول موج یکسان در همه جهات ساطع می کند. در طول سفر، با گسترش فضا، طول موج طولانی تر می شود. بنابراین نور به تدریج قرمز می شود. ناظر نور را دریافت می کند، انتقال به سرخ آن را اندازه می گیرد و سرعت کهکشان را محاسبه می کند. همانطور که مشاهدات تأیید می کنند، انتقال به سرخ کیهانی با تغییر داپلر متفاوت است.

با این حال، کهکشانی که نور را فرستاده ممکن است با سرعت های فوق العاده به دور شدن ادامه دهد. بنابراین، ما می‌توانیم نور کهکشان‌هایی را مشاهده کنیم که مانند قبل، همیشه سریع‌تر از سرعت نور دور می‌شوند. به طور خلاصه، فاصله هابل ثابت نیست و مرزهای جهان قابل مشاهده را به ما نشان نمی دهد.

در واقع چه چیزی مرز فضای قابل مشاهده را مشخص می کند؟ در اینجا نیز نوعی سردرگمی وجود دارد. اگر فضا منبسط نشده بود، اکنون می‌توانستیم دورترین جسم را در فاصله حدود 14 میلیارد سال نوری از ما مشاهده کنیم، یعنی. مسافتی که نور طی 14 میلیارد سال پس از انفجار بزرگ طی کرده است. اما با انبساط جهان، فضایی که فوتون از آن عبور می‌کند در طول سفر خود منبسط شد. بنابراین، فاصله فعلی تا دورترین جسم قابل مشاهده تقریباً سه برابر بیشتر است - حدود 46 میلیارد سال نوری.

کیهان شناسان قبلاً فکر می کردند که ما در جهان کند زندگی می کنیم و بنابراین می توانیم کهکشان های بیشتری را رصد کنیم. با این حال، در جهان در حال شتاب، ما توسط مرزی محصور شده‌ایم که در خارج از آن هرگز شاهد وقوع رویدادها نخواهیم بود - این افق رویداد کیهانی است. اگر نور کهکشان هایی که سریعتر از سرعت نور دور می شوند به ما برسد، فاصله هابل افزایش می یابد. اما در جهان در حال شتاب افزایش آن ممنوع است. یک رویداد دور ممکن است پرتوی از نور را به سمت ما بفرستد، اما این نور به دلیل شتاب انبساط برای همیشه فراتر از حد فاصله هابل باقی می ماند.

همانطور که می بینیم، جهان در حال شتاب شبیه یک سیاهچاله است که افق رویدادی نیز دارد که از خارج از آن سیگنال دریافت نمی کنیم. فاصله فعلی تا افق رویداد کیهانی ما (16 میلیارد سال نوری) کاملاً در منطقه قابل مشاهده ما قرار دارد. نور ساطع شده از کهکشان هایی که اکنون دورتر از افق رویداد کیهانی هستند هرگز نمی تواند به ما برسد، زیرا این فاصله که در حال حاضر برابر با 16 میلیارد سال نوری است، خیلی سریع گسترش خواهد یافت. ما قادر خواهیم بود وقایعی را که در کهکشان ها قبل از عبور از افق رخ داده است ببینیم، اما هرگز از رویدادهای بعدی مطلع نخواهیم شد.

آیا همه چیز در جهان در حال گسترش است؟

مردم اغلب فکر می کنند که اگر فضا منبسط شود، پس همه چیز در آن نیز منبسط می شود. اما این درست نیست. انبساط به این صورت (یعنی با اینرسی، بدون شتاب یا کاهش سرعت) هیچ نیرویی تولید نمی کند. طول موج فوتون با رشد جهان افزایش می یابد، زیرا، برخلاف اتم ها و سیارات، فوتون ها اجرام متصل نیستند که اندازه آنها توسط تعادل نیروها تعیین می شود. نرخ تغییر انبساط نیروی جدیدی را وارد تعادل می کند، اما نمی تواند باعث انبساط یا انقباض اجسام شود.

برای مثال، اگر گرانش قوی‌تر می‌شد، نخاع شما منقبض می‌شود تا زمانی که الکترون‌های ستون فقرات شما به موقعیت تعادل جدیدی برسند، کمی نزدیک‌تر به هم. قد شما اندکی کاهش می یابد، اما فشرده سازی در آنجا متوقف می شود. به همین ترتیب، اگر ما در جهان با غلبه نیروهای گرانشی زندگی می‌کردیم، همانطور که بیشتر کیهان‌شناسان چند سال پیش معتقد بودند، انبساط کند می‌شود و همه اجسام تحت فشار ضعیفی قرار می‌گیرند و آنها را مجبور می‌کند به تعادل کوچک‌تری برسند. اندازه. اما با رسیدن به آن، دیگر کوچک نمی‌شوند.

جهان قابل مشاهده چقدر بزرگ است؟

اشتباه: کیهان ۱۴ میلیارد سال سن دارد، بنابراین شعاع شعاع شعاع قسمت قابل مشاهده آن ۱۴ میلیارد سال نوری است. ما سال نوری مسافتی است که یک فوتون در یک سال طی می کند. این بدان معناست که فوتون 14 میلیارد سال نوری را طی کرده است

درست: با گسترش فضا، ناحیه مشاهده شده شعاع بیشتری از 14 میلیارد سال نوری دارد. همانطور که فوتون حرکت می کند، فضایی که از آن عبور می کند منبسط می شود. زمانی که به ما می رسد، فاصله تا کهکشانی که آن را ساطع کرده است بیشتر از محاسبه ساده از زمان پرواز می شود - تقریباً سه برابر بیشتر

در واقع، انبساط در حال شتاب گرفتن است، که ناشی از نیروی ضعیفی است که تمام اجسام را "باد" می کند. بنابراین، اجسام مقید از نظر اندازه کمی بزرگتر از یک جهان غیر شتابنده هستند، زیرا آنها در اندازه کمی بزرگتر به تعادل می رسند. در سطح زمین، شتابی که به سمت بیرون و به دور از مرکز سیاره هدایت می شود، کسری ناچیز (10^(-30)$) از شتاب گرانشی معمولی به سمت مرکز است. اگر این شتاب ثابت باشد، باعث انبساط زمین نمی شود. فقط این است که این سیاره کمی بزرگتر از آن چیزی است که بدون نیروی دافعه می بود.

اما همانطور که برخی کیهان شناسان معتقدند، اگر شتاب ثابت نباشد، همه چیز تغییر خواهد کرد. اگر دافعه افزایش یابد، در نهایت می تواند باعث فروپاشی تمام ساختارها و منجر به "شکاف بزرگ" شود، که به خودی خود به دلیل انبساط یا شتاب رخ نمی دهد، بلکه به این دلیل است که شتاب شتاب می گیرد.

آیا اشیاء در کیهان نیز در حال انبساط هستند؟

اشتباه: آره. انبساط باعث بزرگتر شدن جهان و هر چیزی در آن می شود. بیایید یک خوشه کهکشانی را به عنوان یک جرم در نظر بگیریم. با بزرگتر شدن جهان، خوشه نیز بزرگتر می شود. مرز خوشه (خط زرد) در حال گسترش است.

درست: نه جهان در حال انبساط است، اما اجرام متصل در آن این کار را انجام نمی دهند. کهکشان های همسایه در ابتدا دور می شوند، اما در نهایت جاذبه متقابل آنها بر انبساط غلبه می کند. یک خوشه به اندازه ای تشکیل می شود که با حالت تعادل آن مطابقت دارد.

از آنجایی که اندازه‌گیری‌های جدید و دقیق به کیهان‌شناسان کمک می‌کند تا انبساط و شتاب را بهتر درک کنند، ممکن است بتوانند سؤالات اساسی‌تری درباره اولین لحظات و بزرگترین مقیاس‌های جهان بپرسند. چه چیزی باعث گسترش شد؟ بسیاری از کیهان شناسان معتقدند که فرآیندی به نام تورم، نوع خاصی از انبساط شتاب دهنده، مقصر است. اما شاید این فقط یک پاسخ جزئی باشد: برای شروع، به نظر می رسد که جهان از قبل در حال انبساط بوده است. در مورد بزرگترین مقیاس های فراتر از محدودیت های مشاهدات ما چطور؟ آیا بخش‌های مختلف کیهان به طور متفاوتی در حال انبساط هستند، به طوری که جهان ما فقط یک حباب تورم متوسط ​​در یک ابرجهان غول‌پیکر است؟ هیچ کس نمی داند. اما امیدواریم با گذشت زمان بتوانیم به درک درستی از روند انبساط کیهان برسیم.

درباره نویسندگان:
چارلز اچ. در اوایل دهه 1990. در دانشگاه کالیفرنیا در برکلی، لاین‌ویور بخشی از تیمی از دانشمندان بود که نوسانات تابش پس‌زمینه مایکروویو کیهانی را با استفاده از ماهواره COBE کشف کردند. او از پایان نامه خود نه تنها در زمینه اخترفیزیک، بلکه در زمینه تاریخ و ادبیات انگلیسی نیز دفاع کرد. دیویس در حال کار بر روی یک رصدخانه فضایی به نام Supernova/Acceleration Probe است.

یادداشت های مقاله "پارادوکس های بیگ بنگ"
پروفسور آناتولی ولادیمیرویچ زاسوف، فیزیک. دانشکده دانشگاه دولتی مسکو: تمام سوء تفاهماتی که نویسندگان مقاله با آن استدلال می کنند به این واقعیت مربوط می شود که برای وضوح، آنها اغلب انبساط حجم محدودی از جهان را در یک چارچوب مرجع سفت و سخت (و گسترش یک منطقه به اندازه کافی کوچک به طوری که تفاوت گذر زمان در زمین و کهکشان های دور در چارچوب مرجع زمین را در نظر نگیرد). از این رو ایده انفجار، تغییر داپلر و سردرگمی گسترده با سرعت حرکت به وجود می آید. نویسندگان می نویسند و به درستی می نویسند که چگونه همه چیز در یک سیستم مختصات غیر اینرسی (همراه) به نظر می رسد، که معمولاً کیهان شناسان در آن کار می کنند، اگرچه مقاله مستقیماً این را بیان نمی کند (در اصل، همه فواصل و سرعت ها به انتخاب دستگاه بستگی دارد. سیستم مرجع، و در اینجا همیشه برخی از خودسری ها وجود دارد). تنها چیزی که به وضوح نوشته نشده است این است که منظور از فاصله در جهان در حال گسترش تعریف نشده است. ابتدا، نویسندگان آن را به‌عنوان سرعت نور ضرب در زمان انتشار می‌دانند، و سپس می‌گویند که لازم است انبساط را نیز در نظر گرفت، که در حالی که نور در راه بود، کهکشان را حتی بیشتر کرد. بنابراین، فاصله از قبل به عنوان سرعت نور ضرب در زمان انتشار آن در صورتی که کهکشان از دور شدن متوقف شود و نور ساطع کند، درک می شود. در واقعیت، همه چیز پیچیده تر است. فاصله یک کمیت وابسته به مدل است و نمی توان مستقیماً از مشاهدات به دست آورد، بنابراین کیهان شناسان بدون آن به خوبی عمل می کنند و آن را با انتقال به سرخ جایگزین می کنند. اما شاید رویکرد سختگیرانه تر در اینجا نامناسب باشد.

اگر از روی کنجکاوی، یک کتاب مرجع یا یک راهنمای علمی رایج را انتخاب کنیم، مطمئناً با یکی از نسخه های نظریه منشأ جهان - نظریه به اصطلاح "بیگ بنگ" روبرو خواهیم شد. به طور خلاصه، این نظریه را می توان به صورت زیر بیان کرد: در ابتدا، همه مواد به یک "نقطه" فشرده می شدند که دمای غیرعادی بالایی داشت و سپس این "نقطه" با نیروی عظیمی منفجر شد. در نتیجه انفجار، اتم‌ها، مواد، سیارات، ستارگان، کهکشان‌ها و در نهایت حیات به تدریج از ابری فوق‌گرم از ذرات زیراتمی که به تدریج در همه جهات منبسط می‌شوند، تشکیل شدند.

در همان زمان، انبساط کیهان ادامه دارد و معلوم نیست تا کی ادامه خواهد داشت: شاید روزی به مرزهای خود برسد.

نتیجه گیری کیهان شناسی هم بر اساس قوانین فیزیک و هم بر اساس داده های نجوم رصدی است. مانند هر علم، کیهان‌شناسی در ساختار خود، علاوه بر سطوح تجربی و نظری، دارای سطح مقدمات فلسفی، مبانی فلسفی نیز هست.

بنابراین، اساس کیهان شناسی مدرن این فرض است که قوانین طبیعت، که بر اساس مطالعه بخش بسیار محدودی از کیهان ایجاد شده است، اغلب بر اساس آزمایشات روی سیاره زمین، می تواند در نهایت به مناطق بسیار بزرگتری تعمیم داده شود. به کل کیهان

این فرض در مورد ثبات قوانین طبیعت در مکان و زمان به سطح مبانی فلسفی کیهان شناسی مدرن تعلق دارد.

ظهور کیهان شناسی مدرن با ایجاد یک نظریه نسبیتی گرانش - نظریه نسبیت عام توسط اینشتین (1916) همراه است.

از معادلات نسبیت عام اینشتین، انحنای فضا-زمان و ارتباط بین انحنا و چگالی جرم (انرژی) به دست می‌آید.

با به کار بردن نظریه نسبیت عام برای جهان به عنوان یک کل، اینشین کشف کرد که چنین راه حلی برای معادلات وجود ندارد که مطابق با جهانی باشد که در طول زمان تغییر نکرده باشد.

با این حال، انیشتین جهان را ثابت تصور می کرد. بنابراین، او یک عبارت اضافی را به معادلات حاصل وارد کرد و از ایستایی کیهان اطمینان حاصل کرد.

در اوایل دهه 20، ریاضیدان شوروی A.A. Friedman اولین کسی بود که معادلات نظریه نسبیت عام را در رابطه با کل جهان بدون تحمیل شرایط ایستایی حل کرد.

او نشان داد که جهان، پر از ماده گرانشی، باید منبسط یا منقبض شود.

معادلات به دست آمده توسط فریدمن اساس کیهان شناسی مدرن را تشکیل می دهد.

در سال 1929، ستاره شناس آمریکایی ای. هابل مقاله ای با عنوان "رابطه بین فاصله و سرعت شعاعی سحابی های خارج از کهکشانی" منتشر کرد که در آن به این نتیجه رسید: "کهکشان های دوردست با سرعتی متناسب با فاصله آنها از ما دور می شوند. ما

هابل این نتیجه را بر اساس ایجاد تجربی یک اثر فیزیکی خاص - تغییر قرمز، یعنی.

افزایش طول موج خطوط در طیف منبع (تغییر خطوط به سمت قسمت قرمز طیف) در مقایسه با خطوط طیف استاندارد، به دلیل اثر داپلر در طیف کهکشان ها.

کشف هابل از اثر انتقال به سرخ، رکود کهکشان ها، زیربنای مفهوم جهان در حال انبساط است.

طبق مفاهیم کیهان شناسی مدرن، جهان در حال انبساط است، اما مرکز انبساط وجود ندارد: از هر نقطه ای در جهان، الگوی انبساط یکسان ظاهر می شود، یعنی همه کهکشان ها دارای یک انتقال به سرخ متناسب با فاصله خود خواهند بود.

به نظر می رسد خود فضا متورم شده است.

اگر کهکشان ها را روی یک بالن بکشید و شروع به باد کردن آن کنید، فاصله بین آنها افزایش می یابد و هر چه سریعتر از یکدیگر فاصله بگیرند. تنها تفاوت این است که کهکشان‌هایی که روی توپ کشیده می‌شوند اندازه خود را افزایش می‌دهند، در حالی که سیستم‌های ستاره‌ای واقعی در سراسر کیهان حجم خود را به دلیل نیروهای گرانش حفظ می‌کنند.

یکی از بزرگترین مشکلاتی که طرفداران نظریه بیگ بنگ با آن روبرو هستند، دقیقاً این است که هیچ یک از سناریوهایی که آنها برای منشا کیهان پیشنهاد می کنند، نمی توانند به صورت ریاضی یا فیزیکی توصیف شوند.

بر اساس نظریه های اصلی بیگ بنگ، حالت اولیه جهان یک نقطه بی نهایت کوچک با چگالی بی نهایت زیاد و دمای بی نهایت بالا بود. با این حال، چنین حالتی از محدوده منطق ریاضی فراتر می رود و به طور رسمی قابل توصیف نیست. بنابراین، در واقعیت، هیچ چیز قطعی نمی توان در مورد وضعیت اولیه کیهان گفت، و محاسبات در اینجا شکست می خورند. بنابراین، این وضعیت در بین دانشمندان یک "پدیده" نامیده شد.

از آنجایی که این مانع هنوز برطرف نشده است، معمولاً در نشریات علوم عامه برای عموم، موضوع "پدیده" به کلی حذف می شود، اما در نشریات و نسخه های علمی تخصصی که نویسندگان آنها سعی دارند به نحوی با این مشکل ریاضی کنار بیایند. استیون هاوکینگ، استاد ریاضیات در دانشگاه کمبریج، و جی اف آر الیس، استاد ریاضیات در دانشگاه کیپ تاون، در کتاب خود به نام «مقیاس طولانی ساختار فضا-زمان» خاطرنشان می کند: «نتایج ما این مفهوم را تایید می کند که جهان چند سال پیش آغاز شده است.

با این حال، نقطه شروع نظریه مبدأ جهان - به اصطلاح "پدیده" - فراتر از قوانین شناخته شده فیزیک است.

چگونه انبساط کیهان کشف شد

سپس باید بپذیریم که برای توجیه «پدیده»، این سنگ بنای نظریه «بیگ بنگ»، باید امکان استفاده از روش های تحقیقی را که فراتر از محدوده فیزیک مدرن است، فراهم کرد.

"پدیده"، مانند هر نقطه شروع دیگری از "آغاز جهان"، که شامل چیزی است که نمی توان با مقوله های علمی توصیف کرد، یک سوال باز باقی می ماند.

با این حال، سؤال زیر مطرح می شود: خود "پدیده" از کجا آمده است، چگونه شکل گرفته است؟ از این گذشته، مشکل "پدیده" تنها بخشی از یک مشکل بسیار بزرگتر است، مشکل منشأ حالت اولیه کیهان. به عبارت دیگر، اگر جهان در ابتدا در یک نقطه فشرده شده است، پس چه چیزی آن را به این حالت رسانده است؟ و حتی اگر "پدیده" را که باعث مشکلات نظری می شود کنار بگذاریم، این سوال همچنان باقی خواهد ماند: جهان چگونه شکل گرفت؟

در تلاش برای دور زدن این مشکل، برخی از دانشمندان نظریه به اصطلاح "جهان تپنده" را پیشنهاد می کنند.

به عقیده آنها، جهان به طور بی پایان، بارها و بارها، یا تا یک نقطه کوچک می شود، یا تا برخی از مرزها گسترش می یابد. چنین جهانی نه آغاز دارد و نه پایان، فقط یک چرخه انبساط و یک چرخه انقباض وجود دارد. در همان زمان، نویسندگان این فرضیه ادعا می کنند که جهان همیشه وجود داشته است، بنابراین ظاهراً سؤال "آغاز جهان" را کاملاً حذف می کند.

اما واقعیت این است که هنوز هیچکس توضیح رضایت بخشی برای مکانیسم ضربان ارائه نکرده است.

چرا کیهان می تپد؟ دلایل آن چیست؟ فیزیکدان استیون واینبرگ در کتاب خود به نام "سه دقیقه اول" اشاره می کند که با هر ضربان پی در پی در جهان، نسبت تعداد فوتون ها به تعداد نوکلئون ها ناگزیر باید افزایش یابد که منجر به انقراض پالس های جدید می شود.

واینبرگ نتیجه می گیرد که بنابراین تعداد چرخه های ضربان جهان محدود است، به این معنی که در نقطه ای باید متوقف شوند. در نتیجه، "جهان تپنده" پایانی دارد، به این معنی که آغازی نیز دارد.

در سال 2011، جایزه نوبل فیزیک به سائول پرلموتر از آزمایشگاه ملی لارنس برکلی، عضو پروژه کیهان شناسی ابرنواختر و برایان پی، عضو تیم تحقیقاتی ابرنواختر High-z تعلق گرفت.

اشمیت از دانشگاه ملی استرالیا و آدام جی ریس از دانشگاه جان هاپکینز.

سه دانشمند برای کشف شتاب انبساط کیهان با مشاهده ابرنواخترهای دوردست جایزه را به اشتراک گذاشتند. آنها نوع خاصی از ابرنواختر، نوع Ia را مطالعه کردند.

اینها ستارگان فشرده قدیمی در حال انفجار هستند که از خورشید سنگین ترند اما به اندازه زمین هستند. یکی از این ابرنواخترها می تواند به اندازه کل کهکشان ستارگان نور ساطع کند. دو تیم از محققان بیش از 50 ابرنواختر دوردست Ia را کشف کردند که نور آنها ضعیف تر از حد انتظار بود.

این دلیلی بود بر اینکه انبساط کیهان در حال شتاب گرفتن است. این تحقیق بارها و بارها با معماها و مشکلات پیچیده مواجه شد، اما در نهایت، هر دو تیم از دانشمندان به نتایج یکسانی در مورد انبساط سریع جهان رسیدند.

این کشف در واقع شگفت آور است.

ما قبلاً می دانیم که پس از انفجار بزرگ در حدود 14 میلیارد سال پیش، جهان شروع به انبساط کرد. با این حال، کشف شتاب این گسترش خود کاشفان را شگفت زده کرد.

دلیل شتاب مرموز به انرژی تاریک فرضی نسبت داده می شود که تخمین زده می شود حدود سه چهارم کیهان را تشکیل می دهد، اما همچنان بزرگترین رمز و راز فیزیک مدرن باقی مانده است.

ستاره شناسی

ستاره شناسی->گسترش جهان->

تست آنلاین

مطالبی از کتاب «تاریخ مختصر زمان» نوشته استیون هاوکینگ و لئونارد ملودینو

اثر داپلر

در دهه 1920، زمانی که ستاره شناسان شروع به مطالعه طیف ستارگان در کهکشان های دیگر کردند، چیز بسیار جالبی کشف شد: مشخص شد که آنها دارای همان الگوهای مشخصه رنگ های گم شده مانند ستاره های کهکشان خودمان هستند، اما همه آنها به انتهای قرمز منتقل شدند. از طیف، و به همان نسبت.

فیزیکدانان تغییر رنگ یا فرکانس را به عنوان اثر داپلر می شناسند.

همه ما با نحوه تأثیر این پدیده بر صدا آشنا هستیم. به صدای ماشینی که از آنجا می گذرد گوش دهید.

جهان در حال گسترش

وقتی نزدیک می شود، صدای موتور یا بوق آن بالاتر به نظر می رسد و وقتی ماشین قبلاً از آنجا رد شده و شروع به دور شدن کرده است، صدا کاهش می یابد. ماشین پلیسی که با سرعت صد کیلومتر در ساعت به سمت ما حرکت می کند، حدود یک دهم سرعت صوت را توسعه می دهد. صدای آژیر او موجی است، تاج ها و فرورفتگی های متناوب. به یاد بیاورید که فاصله بین نزدیکترین تاج ها (یا فرورفتگی ها) طول موج نامیده می شود. هر چه طول موج کوتاهتر باشد، ارتعاشات بیشتری در هر ثانیه به گوش ما می رسد و تن یا فرکانس صدا بالاتر می رود.

اثر داپلر ناشی از این واقعیت است که یک ماشین نزدیک‌تر، که هر تاج موج صوتی متوالی را ساطع می‌کند، به ما نزدیک‌تر می‌شود و در نتیجه، فاصله بین تاج‌ها کمتر از حالتی است که ماشین ثابت می‌ماند.

این بدان معناست که طول موج هایی که به سمت ما می آیند کوتاهتر و فرکانس آنها بیشتر می شود. برعکس، اگر ماشین دور شود، طول موج هایی که می گیریم طولانی تر و فرکانس آنها کمتر می شود. و هرچه ماشین سریعتر حرکت کند، اثر داپلر قوی تر ظاهر می شود که استفاده از آن را برای اندازه گیری سرعت ممکن می کند.

هنگامی که منبع ساطع کننده امواج به سمت ناظر حرکت می کند، طول موج کاهش می یابد.

با دور شدن منبع، برعکس، افزایش می یابد. این اثر داپلر نامیده می شود.

نور و امواج رادیویی رفتار مشابهی دارند. پلیس از اثر داپلر برای تعیین سرعت خودروها با اندازه گیری طول موج سیگنال رادیویی منعکس شده از آنها استفاده می کند.

نور ارتعاشات یا امواج یک میدان الکترومغناطیسی است. طول موج نور مرئی بسیار کوچک است - از چهل تا هشتاد میلیونم متر. چشم انسان طول موج های مختلف نور را به عنوان رنگ های مختلف درک می کند که طولانی ترین طول موج ها در انتهای قرمز طیف و کوتاه ترین آنها در انتهای آبی است.

حال تصور کنید که یک منبع نور در فاصله ثابتی از ما قرار دارد، مانند یک ستاره که امواج نوری با طول موج مشخصی را ساطع می کند. طول امواج ثبت شده با امواج ساطع شده یکسان خواهد بود. اما اکنون فرض کنید که منبع نور شروع به دور شدن از ما کند. مانند صدا، این باعث افزایش طول موج نور می شود، به این معنی که طیف به سمت انتهای قرمز تغییر می کند.

انبساط کیهان

هابل پس از اثبات وجود کهکشان های دیگر، در سال های بعد روی تعیین فواصل آنها و مشاهده طیف های آنها کار کرد.

در آن زمان، بسیاری تصور می‌کردند که کهکشان‌ها به‌طور تصادفی حرکت می‌کنند و انتظار داشتند که تعداد طیف‌های جابه‌جا شده به آبی تقریباً با تعداد طیف‌های منتقل‌شده به قرمز برابر باشد. بنابراین، کشف اینکه طیف اکثر کهکشان‌ها یک تغییر قرمز را نشان می‌دهند کاملاً شگفت‌انگیز بود - تقریباً همه منظومه‌های ستاره‌ای در حال دور شدن از ما هستند!

حتی شگفت‌انگیزتر این واقعیت بود که هابل کشف کرد و در سال 1929 عمومی شد: انتقال به سرخ کهکشان‌ها تصادفی نیست، بلکه با فاصله آنها از ما رابطه مستقیم دارد. به عبارت دیگر، هر چه کهکشان از ما دورتر باشد، سریعتر دور می شود!از این نتیجه حاصل شد که جهان نمی تواند ثابت و بدون تغییر اندازه باشد، همانطور که قبلا تصور می شد.

در واقعیت، در حال گسترش است: فاصله بین کهکشان ها دائماً در حال افزایش است.

درک اینکه جهان در حال انبساط است، یک انقلاب واقعی در ذهن ایجاد کرد، یکی از بزرگترین انقلاب های قرن بیستم. در نگاهی به گذشته، ممکن است تعجب آور به نظر برسد که هیچ کس قبلاً به این موضوع فکر نکرده است. نیوتن و دیگر ذهن های بزرگ باید متوجه شده باشند که یک جهان ایستا ناپایدار خواهد بود. حتی اگر در لحظه ای بی حرکت باشد، جاذبه متقابل ستارگان و کهکشان ها به سرعت منجر به فشرده شدن آن می شود.

حتی اگر جهان نسبتاً آهسته منبسط شود، گرانش در نهایت به انبساط آن پایان می دهد و باعث انقباض آن می شود. با این حال، اگر سرعت انبساط کیهان بیشتر از یک نقطه بحرانی خاص باشد، گرانش هرگز نمی تواند آن را متوقف کند و جهان برای همیشه به انبساط خود ادامه خواهد داد.

در اینجا شباهت مبهمی به موشکی که از سطح زمین بلند شده است وجود دارد.

با سرعت نسبتا کم، گرانش در نهایت موشک را متوقف می کند و شروع به سقوط به سمت زمین می کند. از سوی دیگر، اگر سرعت موشک بالاتر از حد بحرانی باشد (بیش از 11.2 کیلومتر در ثانیه)، گرانش نمی تواند آن را نگه دارد و برای همیشه زمین را ترک می کند.

در سال 1965، دو فیزیکدان آمریکایی به نام‌های آرنو پنزیاس و رابرت ویلسون از آزمایشگاه‌های تلفن بل در نیوجرسی، در حال رفع اشکال یک گیرنده مایکروویو بسیار حساس بودند.

(مایکروویوها تشعشعاتی با طول موج حدود یک سانتی متر هستند.) پنزیاس و ویلسون نگران بودند که گیرنده نویز بیشتری از حد انتظار تشخیص دهد. آنها مدفوع پرندگان را روی آنتن پیدا کردند و سایر علل احتمالی خرابی را از بین بردند، اما به زودی تمام منابع احتمالی تداخل را از بین بردند. این نویز از این جهت متفاوت بود که بدون توجه به چرخش زمین به دور محور خود و چرخش آن به دور خورشید، در تمام طول سال در تمام طول ساعت ثبت می شد. از آنجایی که حرکت زمین گیرنده را به بخش های مختلف فضا هدایت می کند، پنزیاس و ویلسون به این نتیجه رسیدند که نویز از خارج از منظومه شمسی و حتی از بیرون کهکشان می آید.

به نظر می رسید که از تمام جهات فضا به یک اندازه آمده است. اکنون می دانیم که، مهم نیست که گیرنده به کجا اشاره می کند، این نویز به غیر از تغییرات ناچیز ثابت می ماند. بنابراین پنزیاس و ویلسون به طور تصادفی به یک مثال قابل توجه رسیدند که جهان در همه جهات یکسان است.

منشا این صدای پس زمینه کیهانی چیست؟ تقریباً در همان زمانی که پنزیاس و ویلسون در حال بررسی صدای مرموز در گیرنده بودند، دو فیزیکدان آمریکایی در دانشگاه پرینستون، باب دیک و جیم پیبلز نیز به امواج مایکروویو علاقه مند شدند.

آنها پیشنهاد جورج گامو را مطالعه کردند که در مراحل اولیه توسعه جهان بسیار متراکم و سفید-گرم بود. دیک و پیبلز معتقد بودند که اگر این درست باشد، پس ما باید بتوانیم درخشش کیهان اولیه را مشاهده کنیم، زیرا نور از مناطق بسیار دور جهان ما اکنون به ما می رسد. با این حال، به دلیل انبساط کیهان، این نور باید آنقدر به انتهای قرمز طیف منتقل شود که از تشعشع مرئی به تشعشعات مایکروویو تبدیل شود.

دیک و پیبلز در حال آماده شدن برای جستجوی این تشعشع بودند که پنزیاس و ویلسون با شنیدن کارشان متوجه شدند که قبلاً آن را پیدا کرده اند.

برای این کشف، پنزیاس و ویلسون در سال 1978 جایزه نوبل را دریافت کردند (که برای دیک و پیبلز تا حدودی ناعادلانه به نظر می رسد، نه به گامو).

در نگاه اول، این واقعیت که جهان در هر جهتی یکسان به نظر می رسد نشان می دهد که ما جایگاه ویژه ای در آن داریم. به طور خاص، ممکن است به نظر برسد که از آنجایی که همه کهکشان ها از ما دور می شوند، پس ما باید در مرکز کیهان باشیم.

با این حال، توضیح دیگری برای این پدیده وجود دارد: جهان ممکن است در همه جهات یکسان به نظر برسد، همچنین وقتی از هر کهکشان دیگری مشاهده شود.

همه کهکشان ها از یکدیگر دور می شوند.

این یادآور پخش شدن لکه های رنگی روی سطح بادکنک باد شده است. با افزایش اندازه توپ، فاصله بین هر دو نقطه افزایش می یابد، اما هیچ یک از نقاط را نمی توان مرکز انبساط در نظر گرفت.

علاوه بر این، اگر شعاع بالون دائماً در حال رشد باشد، هر چه نقاط روی سطح آن از هم دورتر باشند، با انبساط سریع‌تر از هم دور می‌شوند. فرض کنید شعاع بالون در هر ثانیه دو برابر می شود.

سپس دو نقطه که ابتدا با فاصله یک سانتی متری از هم جدا شده اند، پس از یک ثانیه قبلاً دو سانتی متر از هم فاصله می گیرند (در امتداد سطح بالون اندازه گیری می شود) به طوری که سرعت نسبی آنها یک سانتی متر در ثانیه خواهد بود.

از طرف دیگر، یک جفت لکه که ده سانتی متر از هم جدا شده اند، یک ثانیه پس از شروع انبساط، بیست سانتی متر از هم فاصله می گیرند، به طوری که سرعت نسبی آنها ده سانتی متر در ثانیه خواهد بود. سرعت دور شدن هر دو کهکشان از یکدیگر متناسب با فاصله بین آنهاست.

بنابراین، انتقال به سرخ یک کهکشان باید مستقیماً متناسب با فاصله آن از ما باشد - این همان وابستگی است که هابل بعداً کشف کرد. الکساندر فریدمن فیزیکدان و ریاضیدان روسی در سال 1922 موفق به ارائه مدلی موفق و پیش بینی نتایج مشاهدات هابل شد؛ کار او تقریباً در غرب ناشناخته ماند تا اینکه در سال 1935 مدل مشابهی توسط فیزیکدان آمریکایی هوارد رابرتسون و ریاضیدان انگلیسی آرتور واکر پیشنهاد شد. ، به دنبال کشف انبساط کیهان توسط هابل.

به دلیل انبساط کیهان، کهکشان ها از یکدیگر دور می شوند.

با گذشت زمان، فاصله بین جزایر ستاره‌ای دور بیشتر از کهکشان‌های نزدیک افزایش می‌یابد، درست مانند لکه‌های روی یک بالن در حال باد کردن.

بنابراین، به نظر ناظری از هر کهکشانی، سرعتی که کهکشان دیگری در حال دور شدن است، هر چه دورتر باشد، بیشتر به نظر می رسد.

سه نوع انبساط کیهان

دسته اول راه حل ها (راه حلی که فریدمن یافت) فرض می کند که انبساط جهان به اندازه ای آهسته است که جاذبه بین کهکشان ها به تدریج کاهش می یابد و در نهایت آن را متوقف می کند.

پس از این، کهکشان ها شروع به نزدیک شدن به یکدیگر می کنند و جهان شروع به کوچک شدن می کند. طبق طبقه دوم راه حل ها، جهان به قدری سریع در حال انبساط است که گرانش تنها اندکی سرعت عقب نشینی کهکشان ها را کاهش می دهد، اما هرگز نمی تواند آن را متوقف کند. در نهایت، راه حل سومی وجود دارد که بر اساس آن، جهان با سرعت مناسب در حال انبساط است تا از فروپاشی جلوگیری کند. با گذشت زمان، سرعت انبساط کهکشان ها کمتر و کمتر می شود، اما هرگز به صفر نمی رسد.

ویژگی شگفت انگیز اولین مدل فریدمن این است که در آن جهان در فضا بی نهایت نیست، اما در عین حال هیچ مرزی در هیچ کجای فضا وجود ندارد.

گرانش آنقدر قوی است که فضا فرو می ریزد و در خود بسته می شود. این تا حدودی شبیه به سطح زمین است، که آن نیز محدود است، اما هیچ مرزی ندارد. اگر در امتداد سطح زمین در جهت خاصی حرکت کنید، هرگز با مانع غیرقابل عبور یا پایان جهان روبرو نخواهید شد، اما در نهایت به همان جایی که شروع کرده اید باز می گردید.

در مدل اول فریدمن، فضا دقیقاً به همان شکل چیده شده است، اما به جای دو بعدی، مانند سطح زمین. این ایده که می توان به دور کیهان رفت و به نقطه شروع بازگشت، برای داستان های علمی تخیلی خوب است، اما هیچ اهمیت عملی ندارد، زیرا همانطور که می توان ثابت کرد، قبل از اینکه مسافر به ابتدای زندگی خود بازگردد، جهان تا یک نقطه کوچک می شود. سفر.

جهان به قدری بزرگ است که شما باید سریعتر از نور حرکت کنید تا سفر خود را از جایی که شروع کرده اید به پایان برسانید و چنین سرعت هایی ممنوع است (تئوری نسبیت). در مدل دوم فریدمن، فضا نیز منحنی است، اما به شکلی متفاوت.

و تنها در مدل سوم، هندسه بزرگ مقیاس جهان مسطح است (اگرچه فضا در مجاورت اجسام عظیم منحنی است).

کدام مدل فریدمن جهان ما را توصیف می کند؟ آیا انبساط کیهان هرگز متوقف می شود و فشرده سازی جایگزین آن می شود یا جهان برای همیشه گسترش می یابد؟

مشخص شد که پاسخ دادن به این سوال دشوارتر از آن چیزی است که دانشمندان در ابتدا تصور می کردند. راه حل آن عمدتاً به دو چیز بستگی دارد - سرعت مشاهده شده در حال حاضر انبساط کیهان و چگالی متوسط ​​فعلی آن (مقدار ماده در واحد حجم فضا).

هر چه سرعت جریان انبساط بیشتر باشد، گرانش و در نتیجه چگالی ماده برای توقف انبساط بیشتر لازم است. اگر چگالی متوسط ​​بالاتر از یک مقدار بحرانی خاص باشد (که با سرعت انبساط تعیین می شود)، جاذبه گرانشی ماده می تواند انبساط کیهان را متوقف کند و باعث انقباض آن شود. این رفتار جهان با اولین مدل فریدمن مطابقت دارد.

اگر چگالی متوسط ​​کمتر از مقدار بحرانی باشد، جاذبه گرانشی انبساط را متوقف نخواهد کرد و جهان برای همیشه منبسط خواهد شد - مانند مدل دوم فریدمن. در نهایت، اگر چگالی متوسط ​​کیهان دقیقاً برابر با مقدار بحرانی باشد، انبساط کیهان برای همیشه کند می‌شود و به حالت ایستا نزدیک‌تر و نزدیک‌تر می‌شود، اما هرگز به آن نمی‌رسد.

این سناریو با مدل سوم فریدمن مطابقت دارد.

پس کدام مدل صحیح است؟ اگر سرعت دور شدن کهکشان های دیگر از ما را با استفاده از اثر داپلر اندازه گیری کنیم، می توانیم نرخ فعلی انبساط کیهان را تعیین کنیم.

این را می توان بسیار دقیق انجام داد. با این حال، فاصله تا کهکشان ها چندان شناخته شده نیست، زیرا ما فقط می توانیم آنها را به طور غیر مستقیم اندازه گیری کنیم. بنابراین، ما فقط می دانیم که نرخ انبساط کیهان از 5 تا 10 درصد در هر میلیارد سال است. دانش ما از چگالی متوسط ​​فعلی کیهان حتی مبهم‌تر است. بنابراین، اگر جرم تمام ستارگان قابل مشاهده در کهکشان های خودمان و دیگر کهکشان ها را جمع کنیم، این مجموع کمتر از یک صدم چیزی است که برای متوقف کردن انبساط کیهان لازم است، حتی در پایین ترین تخمین نرخ انبساط.

اما این همه ماجرا نیست.

کهکشان ما و سایر کهکشان‌ها باید حاوی مقادیر زیادی از نوعی «ماده تاریک» باشند که نمی‌توانیم مستقیماً آن‌ها را مشاهده کنیم، اما وجود آن را به دلیل تأثیر گرانشی آن بر مدار ستارگان در کهکشان‌ها می‌دانیم. شاید بهترین شواهد برای وجود ماده تاریک از مدار ستارگان در حاشیه کهکشان های مارپیچی مانند کهکشان راه شیری باشد.

این ستارگان خیلی سریع به دور کهکشان‌های خود می‌چرخند و نمی‌توانند توسط نیروی گرانشی ستاره‌های مرئی کهکشان به تنهایی در مدار باشند. علاوه بر این، بیشتر کهکشان ها بخشی از خوشه ها هستند، و ما به طور مشابه می توانیم وجود ماده تاریک بین کهکشان ها در این خوشه ها را از تأثیر آن بر حرکت کهکشان ها استنباط کنیم.

در واقع، مقدار ماده تاریک در جهان بسیار بیشتر از مقدار ماده معمولی است. اگر تمام ماده تاریک را در نظر بگیریم، حدود یک دهم جرم مورد نیاز برای توقف انبساط را بدست می آوریم.

با این حال، ما نمی‌توانیم وجود اشکال دیگری از ماده را که هنوز برای ما شناخته نشده‌اند، که تقریباً به طور مساوی در سراسر جهان توزیع شده‌اند، که می‌توانند چگالی متوسط ​​آن را افزایش دهند، رد کنیم.

به عنوان مثال، ذرات بنیادی به نام نوترینو وجود دارند که برهمکنش بسیار ضعیفی با ماده دارند و تشخیص آنها بسیار دشوار است.

در چند سال گذشته، گروه‌های مختلفی از محققان در حال بررسی امواج کوچک در پس‌زمینه مایکروویو هستند که پنزیاس و ویلسون کشف کردند. اندازه این امواج می تواند به عنوان شاخصی از ساختار بزرگ مقیاس جهان باشد. به نظر می رسد که شخصیت آن نشان می دهد که در نهایت جهان تخت است (مانند مدل سوم فریدمن)!

اما از آنجایی که مقدار کل ماده معمولی و تاریک برای این کار کافی نیست، فیزیکدانان وجود ماده دیگری را که هنوز کشف نشده است - انرژی تاریک فرض کردند.

و گویی برای پیچیده تر کردن مشکل، مشاهدات اخیر نشان داده است انبساط کیهان کند نمی شود، بلکه شتاب می گیرد.

بر خلاف تمام مدل های فریدمن! این بسیار عجیب است، زیرا وجود ماده در فضا - چگالی زیاد یا کم - فقط می تواند انبساط را کاهش دهد. به هر حال، گرانش همیشه به عنوان یک نیروی جذاب عمل می کند. تسریع انبساط کیهانی مانند بمبی است که پس از منفجر شدن، انرژی را جمع‌آوری می‌کند نه اتلاف.

چه نیرویی مسئول گسترش شتابان فضا است؟ هیچ کس پاسخ قابل اعتمادی برای این سوال ندارد. با این حال، ممکن است انیشتین زمانی که ثابت کیهانی (و اثر ضد گرانشی متناظر آن) را در معادلات خود وارد کرد، حق داشته باشد.

اشتباه انیشتین

انبساط جهان را می‌توان در هر زمانی در قرن نوزدهم یا هجدهم و حتی در پایان قرن هفدهم پیش‌بینی کرد.

با این حال، اعتقاد به جهان ایستا آنقدر قوی بود که این توهم تا آغاز قرن بیستم قدرت خود را بر ذهن ها حفظ کرد. حتی انیشتین به قدری به ماهیت ایستا کیهان اطمینان داشت که در سال 1915 با افزودن مصنوعی یک اصطلاح خاص به معادلات به نام ثابت کیهانی که ماهیت ایستایی کیهان را تضمین می کرد، اصلاحیه خاصی در نظریه نسبیت عام ایجاد کرد.

ثابت کیهانی خود را به عنوان عمل یک نیروی جدید خاص - "ضد گرانش" نشان داد، که بر خلاف سایر نیروها، منبع خاصی نداشت، اما صرفاً یک ویژگی جدایی ناپذیر در بافت خود فضا-زمان بود.

تحت تأثیر این نیرو، فضا-زمان تمایل ذاتی به انبساط را از خود نشان داد. با انتخاب مقدار ثابت کیهانی، انیشتین می تواند قدرت این گرایش را تغییر دهد. با کمک آن، او توانست جاذبه متقابل همه مواد موجود را دقیقاً متعادل کند و در نتیجه یک جهان ساکن به دست آورد.

انیشتین بعداً ایده ثابت کیهانی را رد کرد و اعتراف کرد که این "بزرگترین اشتباه" اوست.

همانطور که به زودی خواهیم دید، امروزه دلایلی وجود دارد که باور کنیم انیشتین ممکن است در معرفی ثابت کیهانی حق داشته باشد. اما چیزی که باید بیشتر از همه اینشتین را غمگین می کرد این بود که او اجازه داد اعتقادش به یک جهان ساکن این نتیجه را تحت الشعاع قرار دهد که جهان باید منبسط شود، پیش بینی شده توسط تئوری خودش. به نظر می رسد فقط یک نفر این پیامد نسبیت عام را دیده و آن را جدی گرفته است. در حالی که انیشتین و سایر فیزیکدانان به دنبال این بودند که چگونه از ماهیت غیر ساکن جهان اجتناب کنند، فیزیکدان و ریاضیدان روسی الکساندر فریدمن، برعکس، اصرار داشت که جهان در حال گسترش است.

فریدمن دو فرض بسیار ساده در مورد کیهان مطرح کرد: اینکه از هر جهتی که نگاه می کنیم یکسان به نظر می رسد، و اینکه این فرض صرف نظر از اینکه از کجا در کیهان نگاه می کنیم درست است.

بر اساس این دو ایده و حل معادلات نسبیت عام، او ثابت کرد که جهان نمی تواند ساکن باشد. بنابراین، در سال 1922، چندین سال قبل از کشف ادوین هابل، فریدمن به طور دقیق انبساط جهان را پیش بینی کرد!

قرن ها پیش، کلیسای مسیحی آن را بدعت می دانست، زیرا آموزه کلیسا فرض می کرد که ما جایگاه ویژه ای در مرکز جهان داریم.

اما امروز ما فرض فریدمن را تقریباً به دلیل مخالف، از روی نوعی فروتنی می پذیریم: برای ما کاملاً شگفت انگیز به نظر می رسد اگر جهان از همه جهات فقط برای ما یکسان باشد، اما برای سایر ناظران جهان نه!

کائنات(از یونانی "oikoumene" - زمین پرجمعیت، مسکونی) - "هر چیزی که وجود دارد"، "یک کل جهان جامع"، "کلیت همه چیز"؛ معنای این اصطلاحات مبهم است و با بافت مفهومی تعیین می شود.

ما می توانیم حداقل سه سطح از مفهوم "جهان" را تشخیص دهیم.

1. جهان به عنوان یک ایده فلسفی، معنایی نزدیک به مفهوم «جهان» یا «جهان» دارد: «جهان مادی»، «موجود مخلوق» و غیره که نقش مهمی در فلسفه اروپایی دارد. تصاویر جهان در هستی شناسی های فلسفی در مبانی فلسفی تحقیقات علمی جهان گنجانده شد.

2. جهان در کیهان شناسی فیزیکی، یا جهان به عنوان یک کل، موضوع برون یابی کیهانی است.

به معنای سنتی - یک سیستم فیزیکی جامع، نامحدود و اساسا منحصر به فرد ("جهان در یک نسخه منتشر می شود" - A. Poincaré). جهان مادی، از دیدگاه فیزیکی و نجومی در نظر گرفته شده است (A.L. Zelmanov). نظریه‌ها و مدل‌های مختلف جهان از این منظر با یکدیگر معادل یکسان نیستند.

این درک از جهان به عنوان یک کل به طرق مختلف توجیه می شد: 1) با استناد به «فرض استناد پذیری»: کیهان شناسی مدعی است که کل جهان جامع را با ابزار مفهومی خود در نظام دانش بازنمایی می کند و تا زمانی که خلاف آن ثابت شود. این ادعاها باید به طور کامل پذیرفته شوند. 2) منطقاً - جهان به عنوان یک کل جهانی جامع تعریف می شود و جهان های دیگر نمی توانند بنا به تعریف وجود داشته باشند و غیره. کیهان‌شناسی کلاسیک نیوتنی تصویری از جهان بی‌نهایت در مکان و زمان ایجاد کرد و بی‌نهایتی یکی از ویژگی‌های نسبتی جهان در نظر گرفته شد.

به طور کلی پذیرفته شده است که جهان همگن نامتناهی نیوتن، کیهان باستانی را "ویران کرد". با این حال، تصاویر علمی و فلسفی از جهان به همزیستی در فرهنگ ادامه می دهند و متقابلاً یکدیگر را غنی می کنند.

کیهان نیوتنی تصویر کیهان باستانی را تنها به این معنا که انسان را از کیهان جدا کرد و حتی آنها را در تقابل قرار داد، ویران کرد.

در کیهان شناسی غیر کلاسیک و نسبیتی، نظریه جهان برای اولین بار ساخته شد.

مشخص شد که خواص آن کاملاً متفاوت از نیوتن است. بر اساس نظریه جهان در حال انبساط که توسط فریدمن ارائه شده است، جهان به عنوان یک کل می تواند در فضا هم متناهی و هم نامتناهی باشد و در هر صورت در زمان محدود است، یعنی.

شروعی داشت فریدمن معتقد بود که جهان، یا جهان به عنوان یک شی کیهان‌شناسی، «بی‌نهایت باریک‌تر و کوچک‌تر از جهان-جهان فیلسوف است». برعکس، اکثریت قریب به اتفاق کیهان شناسان، بر اساس اصل یکنواختی، مدل های جهان در حال انبساط را با متا کهکشان ما شناسایی کردند. لحظه اولیه گسترش متا کهکشان به عنوان "آغاز همه چیز" مطلق، از دیدگاه خلقت گرایانه - به عنوان "آفرینش جهان" در نظر گرفته شد. برخی از کیهان شناسان نسبی گرا، که اصل یکنواختی را ساده سازی ناکافی می دانند، جهان را به عنوان یک سیستم فیزیکی جامع در مقیاس بزرگتر از متا کهکشان و فرا کهکشان را تنها بخشی محدود از جهان می دانند.

کیهان شناسی نسبی گرایانه به طور اساسی تصویر جهان را در تصویر علمی جهان تغییر داد.

از نظر ایدئولوژیک، به تصویر کیهان باستانی بازگشت، به این معنا که دوباره انسان و جهان (در حال تکامل) را به هم متصل کرد. گام بعدی در این راستا بود اصل انسان دوستی در کیهان شناسی

رویکرد مدرن به تفسیر جهان به عنوان یک کل، اولاً مبتنی بر تمایز بین ایده فلسفی جهان و جهان به عنوان یک موضوع کیهان‌شناسی است. ثانیاً این مفهوم نسبی می شود، یعنی. حجم آن با سطح معینی از دانش، نظریه یا مدل کیهان‌شناختی - در یک زبان صرفاً زبانی (بدون توجه به وضعیت عینی آنها) یا به معنای عینی مرتبط است.

برای مثال، جهان به عنوان "بزرگترین مجموعه ای از رویدادها که قوانین فیزیکی ما را که به هر طریقی برون یابی شده اند، می توان برای آن اعمال کرد" یا "می توان از نظر فیزیکی با ما مرتبط دانست" تفسیر شد (G. Bondi).

توسعه این رویکرد مفهومی بود که بر اساس آن جهان در کیهان‌شناسی «هر چیزی است که وجود دارد» نه به معنای مطلق، بلکه فقط از دیدگاه یک نظریه کیهان‌شناختی معین، یعنی. یک سیستم فیزیکی با بزرگترین مقیاس و نظم که وجود آن از یک سیستم معین دانش فیزیکی ناشی می شود.

این یک مرز نسبی و گذرا از دنیای بزرگ شناخته شده است که توسط احتمالات برون یابی سیستم دانش فیزیکی تعیین می شود. جهان به عنوان یک کل در همه موارد به معنای یکسان "اصلی" نیست. برعکس، نظریه‌های مختلف ممکن است اصل‌های نابرابر داشته باشند، یعنی. سیستم های فیزیکی با ترتیب و مقیاس های مختلف سلسله مراتب ساختاری. اما همه ادعاها مبنی بر بازنمایی یک کل جهانی جامع به معنای مطلق، بی‌اساس باقی می‌مانند.

هنگام تفسیر جهان در کیهان شناسی، باید بین بالقوه موجود و موجود بالفعل تمایز قائل شد. آنچه امروز ناموجود تلقی می شود، ممکن است فردا وارد حوزه تحقیقات علمی شود، وجود داشته باشد (از دیدگاه فیزیک) و در درک ما از کیهان گنجانده شود. بنابراین، اگر نظریه جهان در حال انبساط اساساً متا کهکشان ما را توصیف می کند، در آن صورت نظریه جهان تورمی ("در حال تورم") که در کیهان شناسی مدرن محبوب ترین است، مفهوم بسیاری از "جهان های دیگر" (یا از نظر زبان تجربی) را معرفی می کند. , اجرام فرامتاگالاکتیکی) با خواص کیفی متفاوت.

بنابراین، تئوری تورمی، نقض مگاسکوپی اصل یکنواختی جهان را به رسمیت می شناسد و به معنای آن، اصل تنوع بی نهایت جهان را معرفی می کند.

I.S. Shklovsky پیشنهاد کرد که مجموع این جهان ها را "متافوره" بنامد. کیهان‌شناسی تورمی به شکلی خاص، ایده بی‌نهایتی جهان (Metaverse) را به عنوان تنوع بی‌نهایت آن زنده می‌کند. در کیهان‌شناسی تورمی، اجسامی مانند متاکهکشان اغلب «جهان کوچک» نامیده می‌شوند.

مینی جهان ها از طریق نوسانات خود به خودی خلاء فیزیکی به وجود می آیند. از این منظر نتیجه می شود که لحظه اولیه انبساط جهان ما، متاکهکشان را نباید لزوماً آغاز مطلق همه چیز در نظر گرفت.

این تنها لحظه اولیه تکامل و خود سازماندهی یکی از سیستم های کیهانی است. در برخی از نسخه‌های کیهان‌شناسی کوانتومی، مفهوم جهان با وجود ناظر ("اصل مشارکت") پیوند نزدیکی دارد. آیا کیهان با ایجاد ناظر-شرکت‌کننده‌ها در مرحله‌ای محدود از وجودش، به نوبه‌ی خود از طریق مشاهدات خود، آن ملموسی را که ما آن را واقعیت می‌نامیم، به دست نمی‌آورد؟ آیا این مکانیسم وجود نیست؟» (A.J. Wheeler).

معنای مفهوم جهان در این مورد توسط نظریه ای مبتنی بر تمایز بین وجود بالقوه و بالفعل جهان به عنوان یک کل در پرتو اصل کوانتومی تعیین می شود.

3. کیهان در نجوم (کیهان قابل مشاهده یا نجومی) منطقه ای از جهان است که توسط مشاهدات و در حال حاضر تا حدی توسط آزمایش های فضایی پوشیده شده است.

«هر چیزی که وجود دارد» از دیدگاه ابزارهای رصدی و روش‌های تحقیق موجود در نجوم. جهان نجومی سلسله مراتبی از سیستم های کیهانی با مقیاس و مرتبه پیچیدگی فزاینده است که به طور متوالی توسط علم کشف و مطالعه شده است. این منظومه شمسی است، منظومه ستاره ای ما، کهکشان (که وجود آن توسط وی. هرشل در قرن 18 ثابت شد)، متاکهکشانی که توسط ای. هابل در دهه 1920 کشف شد.

در حال حاضر، اجسامی در کیهان که از ما در فاصله تقریباً دور هستند. 9 تا 12 میلیارد سال نوری

در طول تاریخ نجوم تا نیمه دوم.

مفهوم جهان در حال گسترش

قرن بیستم در جهان نجومی، همان انواع اجرام آسمانی شناخته شده بودند: سیارات، ستاره ها، گاز و ماده غبار. نجوم مدرن انواع بسیار جدیدی از اجرام آسمانی را که قبلاً ناشناخته بودند، کشف کرده است.

اجرام فوق متراکم در هسته کهکشان ها (احتمالاً نشان دهنده سیاهچاله ها). بسیاری از حالات اجرام آسمانی در جهان نجومی به شدت غیر ثابت، ناپایدار، یعنی. واقع در نقاط انشعاب فرض بر این است که اکثریت قریب به اتفاق (تا 90-95٪) از ماده جهان نجومی در اشکال نامرئی و هنوز غیر قابل مشاهده ("جرم پنهان") متمرکز شده است.

ادبیات:

1. فریدمن A.A.

مورد علاقه آثار. م.، 1965;

2. بی نهایت و جهان. م.، 1970;

3. کیهان، نجوم، فلسفه. م، 1988;

4. نجوم و تصویر مدرن جهان.

5. باندی اچ.کیهان شناسی Cambr., 1952;

6. مونیتز ام.فضا، زمان و خلقت. N.Y.، 1965.

V.V.Kazyutinsky