Возраст Вселенной - Как возникла и сколько лет существует
Концептуально это может показаться самой простой идеей в мире для определения возраста Вселенной. Как только вы обнаружите, что Вселенная расширяется, все, что вам нужно сделать, это измерить скорость расширения сегодня и использовать законы физики, чтобы определить, как скорость расширения должна изменяться с течением времени. Вместо того, чтобы экстраполировать вперед, чтобы определить судьбу Вселенной, вы делаете вычисления в обратном и обратном направлении, пока не достигнете условий Большого Взрыва.
Этот очевидный метод не только работает, он по-прежнему является лучшим способом рассчитать возраст Вселенной даже сегодня. Однако очень легко ошибиться, поскольку существует множество упрощающих предположений, которые дадут вам простой ответ, который не обязательно будет правильным.
Сколько миллиардов лет Вселенной
Теперь можно с уверенностью сказать, что Вселенной 13,8 миллиарда лет. Но насколько мы действительно можем быть уверены в этом ответе?
Самый простой и самый прямой способ измерить возраст Вселенной - просто взглянуть на находящиеся в ней объекты: например, звезды. Только в одной галактике Млечный Путь у нас есть сотни миллиардов звезд, и подавляющая часть древней истории астрономии была посвящена изучению и описанию звезд. Сегодня это остается активной областью исследований, поскольку астрономы обнаружили взаимосвязь между наблюдаемыми свойствами звездных популяций и их возрастом.
Поэтому, когда вы смотрите на совокупность звезд, вы можете определить, сколько ей лет, посмотрев, какие звезды еще остались, а какие полностью исчезли.
В нашей галактике есть звезды всех возрастов, но измерения каждой отдельной звезды будут сопряжены с погрешностями. Причина проста: когда мы видим отдельную звезду, мы видим ее такой, какая она есть сегодня. Мы не можем видеть или знать, что происходило в прошлой истории этой звезды, что могло привести к ее нынешнему состоянию. Мы можем видеть только текущий снимок того, что существует, и мы должны сделать вывод об остальном.
Вы часто будете видеть попытки измерить возраст отдельной звезды, но это всегда связано с предположением, что у звезды не было взаимодействия, слияния или другого насильственного события в прошлом. Из-за этой возможности и того факта, что мы видим выживших только тогда, когда смотрим на Вселенную сегодня, эти эпохи всегда сопровождаются огромной неопределенностью - порядка миллиарда лет или даже больше.
Однако при просмотре больших скоплений звезд неопределенности намного меньше. Коллекции звезд, которые образуются в галактике, такой как Млечный Путь (рассеянные звездные скопления), обычно содержат несколько тысяч звезд и существуют всего несколько сотен миллионов лет. Гравитационное взаимодействие между этими звездами в конечном итоге приводит к их разделению. Хотя небольшой процент существует в течение миллиарда или даже нескольких миллиардов лет, мы не знаем рассеянных звездных скоплений, которые были бы такими же старыми, как наша Солнечная система.
Однако шаровые скопления больше, массивнее и изолированы, и их можно найти по всему гало Млечного Пути (и в большинстве крупных галактик). Наблюдая за ними, мы можем измерить цвета и яркость многих звезд внутри, что позволяет нам, если мы понимаем, как звезды работают и развиваются, определять возраст этих звездных скоплений. Хотя здесь тоже есть неопределенности, существует большая популяция шаровых скоплений, даже в пределах Млечного Пути, возрастом 12 миллиардов лет и более.
Какой возраст Вселенной
Сложно сказать. Хотя возраст самого старого из звездных скоплений почти гарантированно составляет от 12,5 до 13 миллиардов лет, существует большая неопределенность в отношении количества времени, необходимого звезде с массой нашего Солнца, чтобы начать свой переход в субгигант, а затем его превращение в полномасштабную звезду красного гиганта. Это могло быть 10 миллиардов лет; это могло быть 12 миллиардов лет; это могло быть промежуточное значение. В течение многих лет многие астрономы, работавшие над шаровыми скоплениями, утверждали, что самым старым из них 14, возможно, даже 16 миллиардов лет.
Сегодня мы можем с уверенностью заключить, что существует нижний предел возраста Вселенной от 12,5 до 13 миллиардов лет от измеряемых нами звезд, но это не точно определяет возраст. Это хорошее ограничение, но чтобы получить истинную цифру, нам нужен лучший метод.
К счастью, вселенная дает нам его. Видите ли, общая теория относительности Эйнштейна для Вселенной, заполненной (примерно) равным количеством материи и энергии повсюду и во всех направлениях (как наша), обеспечивает прямую связь между двумя величинами:
- Количества и типа материи и энергии, присутствующей во Вселенной
- Как быстро расширяется Вселенная сегодня.
Это соотношение было впервые получено в 1922 году Александром Фридманом, и уравнения, позволяющие определить возраст Вселенной, должны быть известны как уравнения Фридмана. Нам потребовалось много лет, чтобы измерить компоненты Вселенной, но теперь у нас сложилась общая картина.
Из чего состоит Вселенная
Наблюдения в диапазоне от обилия легких элементов до скопления галактик и того, как скопления галактик сталкиваются с далекими сверхновыми, и флуктуации космического микроволнового фона, указывают на одну и ту же Вселенную. В частности, он состоит из:
68% темной энергии,
27% темной материи,
4,9% нормального вещества (протоны, нейтроны и электроны),
0,1% нейтрино,
0,01% фотонов (световые частицы или излучение),
и менее 0,4% всего остального, включая искривление пространства, космические цепи, доменные границы и другие причудливые и экзотические компоненты.
Это изображение согласуется с полным набором имеющихся у нас наблюдений; вам действительно нужно очень хорошо подбирать доказательства (переоценивать весьма неоднозначные измерения и одновременно игнорировать большие наборы данных), чтобы получить наборы значений, которые значительно отличаются от этих.
Вы можете подумать, что все зависит от скорости расширения. Если вы можете измерить это точно, вы можете просто посчитать и точно определить возраст Вселенной.
Когда узнали возраст Вселенной
В начале 2000-х годов и с тех пор лучшие данные, которые у нас есть, получены из космических микроволновых антецедентов: сначала от WMAP, затем от планковского излучения, а с 14 июля 2020 года также от Космологического телескопа Атакама.
Все эти значения сходятся с одинаковой скоростью расширения: 68 км/с с погрешностью всего 1-2%. Когда вы подсчитываете, что это значит для возраста Вселенной, вы получаете очень устойчивые 13,8 миллиарда лет, что полностью соответствует всему, что мы знаем о звездах.
Однако вы, возможно, слышали, и это правильно, что по этому поводу есть разногласия. В то время как команды, использующие космический микроволновый фон, могут получить значение скорости расширения, а команды, измеряющие крупномасштабную структуру Вселенной, могут согласиться, другие методы дают совсем другое значение. Другие методы, вместо того, чтобы начинать с раннего напечатанного знака и измерения того, как он выглядит сегодня, начинаются с близкого и развиваются наружу. Они измеряют расстояния и кажущуюся скорость удаления различных объектов - метод, широко известный как космическая шкала расстояний.
Когда вы смотрите на измерения шкалы расстояний, кажется, что все они дают стабильно более высокие значения: от 72 до 76 км / с / Мпк - в среднем примерно на 9% больше, чем значение, которое вы получаете из космического микроволнового фона.
Тогда вы можете подумать, что кто-то прав, а кто-то нет. Если команда дистанционной лестницы верна, а команда космического микроволнового фона ошибочна, то, возможно, Вселенная на 9% моложе, чем мы думаем - всего на 12,8 миллиарда лет.
Но на практике это не работает. Данные о космическом микроволновом фоне нельзя просто игнорировать; это нужно принимать во внимание. Пики, спады и колебания, которые мы видим в колебаниях температуры, являются отражением всех этих различных параметров вместе взятых. Наилучшие значения подходят для Вселенной, расширяющейся со скоростью 68 км / с / Мпк и с 68% темной энергии, 27% темной материей и 5% нормальной материи, но они могут варьироваться, если все они изменяются вместе.
Хотя это не очень хорошо согласуется с данными, вы можете увеличить скорость расширения, скажем, до 74 км / с / Мпк и при этом добиться очень хорошего соответствия, если вы готовы изменить относительные доли темной материи и темная энергия. С немного меньшим количеством темной материи (20%) и немного большей темной энергией (75%) существенно более высокая скорость расширения может все еще хорошо соответствовать данным, хотя и не так хорошо, как согласованные значения.
Однако самое замечательное в этом то, что производный возраст практически не меняется; Если вы исследуете весь диапазон того, что разрешено, а что нет, эта цифра в 13,8 миллиарда лет приходит только с погрешностью около 1%: от 13,670 до 13,950 миллиона лет.
Это правда, что Вселенная еще предстоит открыть для себя множество загадок. Мы не знаем, насколько быстро расширяется Вселенная, и не знаем, почему разные методы измерения скорости расширения дают такие разные результаты. Мы не знаем, что такое темная материя или темная энергия, и действует ли общая теория относительности, из которой все это выведено, в самом большом космическом масштабе. Мы даже не знаем точно, какая часть Вселенной заключена в какой форме энергии: в ней может быть больше темной материи и меньше темной энергии, чем мы думаем, или наоборот; Неопределенности существенны.
Но мы знаем, что имеющиеся у нас данные соответствуют определенному возрасту Вселенной: 13,8 миллиардов лет, с погрешностью всего 1% относительно этого значения. Оно не может быть на миллиард лет больше или меньше этой цифры, если только большое количество измеренных нами вещей не привело нас к совершенно неверным выводам. Если только космос не лжет нам, или мы сами неосознанно обманываем себя, то, что мы называем Большим взрывом, произошло между 13,670 и 13,950 миллионов лет назад: ни меньше, ни больше.
Как возникла наша Вселенная
Есть несколько теорий происхождения.
Самая известная, это Теория большого взрыва. Ее авторы - Александр Фридман, Эдвин Пауэр Хаббл, Жорж Лемэтр и Джордж Энтони Гамов.
Александр Фридман - русский математик первым в 1922 году указал на происхождение Вселенной в результате сильного взрыва.
Эдвин Пауэр Хаббл участвовал в создании гигантского американского телескопа на горе Паломар в Калифорнии, который носит его имя в его честь. Он обнаружил, что Вселенная состоит из галактик разных форм и размеров, которые отделяются друг от друга, тем самым подтвердив в 1930 году, что Вселенная расширяется, и тем самым заложил основу для изучения возраста Вселенной. Его теория расширяющейся Вселенной была дополнена теорией относительности Эйнштейна и стала источником теории Большого взрыва.
Он провозгласил закон Хаббла, который относится к взаимосвязи между расстояниями и скоростью отступления галактик, что позволяет выполнять вычисления времени.
Жорж Лемэтр - бельгийский астроном, который в 1927 году он составил аналогичную схему расширяющегося космоса. Он считал, что, поскольку Вселенная расширяется, в прошлом должно было быть время, когда она должна была быть очень маленькой и настолько плотной, насколько это возможно, что он назвал Космическим Яйцом.
Джордж Энтони Гамов - американский физик украинского происхождения в1948 году модифицировал теорию первичного ядра Лемэтра, заявив, что Вселенная была создана в результате гигантского взрыва и что различные элементы, которые наблюдаются сегодня, были произведены в течение первых минут после Большого взрыва, когда чрезвычайно высокая температура и плотность Вселенной объединила субатомные частицы в химические элементы.
Теория Большого взрыва предполагает, что между 12 000 и 15 000 миллионов лет назад вся материя, масса Вселенной была сосредоточена в точке на чрезвычайно малой площади сокращенного пространства. то, что называлось первичным ядром, или первичным атомом, или также первичным или основным атомом. Масса, занимавшая это уменьшенное пространство, была такой плотности, что крошечная часть могла весить миллионы тонн, а давление и температура были настолько высокими, что “изначальный атом“ взорвался, и вместе с ним материя разлетелась с огромной энергией во всех направлениях и с большими скоростями, таким образом возникла Вселенная.
Еще одна теория - теория инфляционизма американского физика Харви Алана Гута, который пытался объяснить первые моменты существования Вселенной после Большого взрыва.
Согласно этой теории, предположительно ничего не существовало до того момента, когда наша Вселенная имела размер точки с бесконечной плотностью, известной как сингулярность пространства-времени, в которой были сосредоточены вся материя и энергия, давление и температура которой были настолько высокими, что это вызвало сильный взрыв, и первым импульсом стала “инфляционная сила“, уникальная сила, которая была разделена на четыре фундаментальные силы Вселенной: гравитационную, электромагнитную, сильную ядерную и слабую ядерную, за практически ничтожный промежуток времени и что он создал вселенную. Итак, первоначальный взрыв длился практически незаметное время, но был настолько сильным, что, несмотря на притяжение гравитации, замедляющее галактики, Вселенная все еще растет.
С тех пор пространство расширилось, и вместе с ним астрофизические объекты удалялись друг от друга.
Теория пульсирующей Вселенной, предложенная Ричардом Чейзом Толменом, считает, что галактики перестанут удаляться, когда закончится первоначальный импульс Большого взрыва, тогда появится “гравитационный тормоз“, который заставит Вселенную снова сжиматься. Это то, что галактики сформируют единую массу очень высокой плотности, которая снова взорвется, и начнется новая фаза взрыва-расширения-концентрации.
Согласно этой теории, она говорит нам, что Вселенная расширяется и сжимается циклами в миллиарды лет.
Теория устойчивого состояния или непрерывного творения зародилась в начале XX века и была разработана Германом Бондом, Томасом Голдом и Фредом Хойлом, являясь альтернативой теории большого взрыва, которая опровергает тезис о развитой Вселенной при предположении, что Вселенная не имеет начала или конца, поскольку межзвездная материя существовала всегда, и у нее нет начала или конца, у нее нет начала, потому что она не началась с сильного взрыва. Согласно этой теории предполагается, что у вселенной нет ни начала, ни конца, Вселенная не была ни создана, ни разрушена, Вселенная существовала всегда, межзвездное вещество существовало всегда.
Таким образом, мы имеем, что эта теория утверждает, что общий вид Вселенной идентичен не только в пространстве, но и во времени, что противоречит тезису о развитой Вселенной, поскольку межзвездная материя существовала всегда.
Наконец, вышеупомянутые теории пытаются объяснить происхождение Вселенной посредством наблюдений, исследования космоса и разработки моделей расширения, но в них нет места, чтобы сказать, что Вселенная была создана каким-то сверхъестественным существом.
Сколько лет нашей Земле
На этот вопрос нелегко ответить, и на протяжении всей истории было проведено множество исследований, чтобы выяснить это. По оценкам современных геофизиков и геологов, планета, на которой мы живем, существовала 4 млрд 543,9 миллиона лет.
Первым ученым, которому удалось с большой точностью измерить возраст Земли, был Клер Кэмерон Паттерсон, американский геохимик. Расчет был основан на возрасте некоторых метеоритов, исходя из теории, согласно которой они должны иметь возраст, аналогичный возрасту Земли. Таким образом, с помощью масс-спектрографа он установил, что нашей планете 4,54 миллиарда лет с погрешностью ± 70 миллионов лет.
Позже Джон Радж, используя новые методы измерения, оценил возраст Земли 4,47 миллиарда лет с меньшей погрешностью ± 1%. Это исследование было опубликовано в 2010 году и вызвало большой резонанс в научном сообществе.
Напомним, ранее сообщалось, что найден самый старый материал на Земле.
Новость дня
| Карта сайта: