Vilka lagar följer vårt universum? ”Hur universum fungerar ● Vilja att förändras
Aktuell sida: 1 (boken har totalt 18 sidor) [tillgängligt läsställe: 5 sidor]
Sergey Parnovsky
Hur universum fungerar: en introduktion till modern kosmologi
Vetenskaplig redaktör Anatolij Zasov
Redaktör Anton Nikolsky
Projektledare D. Petushkova
Korrekturläsare M. Milovidova, M. Savina
Dator layout E. Kukaleva
Omslagsdesign S. Khozin
Illustratör I. Zhuk
Publikationen utarbetades i samarbete med Trajectory Foundation for Non-profit Initiatives (med ekonomiskt stöd från N.V. Katorzhnov).
Trajectory Foundation for Support of Scientific, Educational and Cultural Initiatives (www.traektoriafdn.ru) skapades 2015. Stiftelsens program syftar till att stimulera intresset för vetenskap och vetenskaplig forskning, genomföra utbildningsprogram, öka den intellektuella nivån och den kreativa potentialen hos ungdomar, öka konkurrenskraften för inhemsk vetenskap och utbildning, popularisering av vetenskap och kultur, främjande av idéer om att bevara kulturarvet. Stiftelsen organiserar utbildnings- och populärvetenskapliga evenemang i hela Ryssland och främjar skapandet av framgångsrika metoder för interaktion inom det pedagogiska och vetenskapliga samfundet.
Som en del av publiceringsprojektet stödjer Trajectory Foundation publiceringen av de bästa exemplen på rysk och utländsk populärvetenskaplig litteratur.
© Parnovsky S., 2017
© Publicering på ryska, översättning, design. Alpina Non-Fiction LLC, 2018
Alla rättigheter förbehållna. Verket är uteslutande avsett för privat bruk. Ingen del av den elektroniska kopian av denna bok får reproduceras i någon form eller på något sätt, inklusive publicering på Internet eller företagsnätverk, för offentligt eller kollektivt bruk utan skriftligt tillstånd från upphovsrättsinnehavaren. För brott mot upphovsrätten föreskriver lagen betalning av ersättning till upphovsrättsinnehavaren på upp till 5 miljoner rubel (artikel 49 i lagen om administrativa brott), samt straffansvar i form av fängelse i upp till 6 år (artikel 146 i den ryska federationens strafflag).
* * *
Förord
Boken beskriver kosmologins historia och nuvarande tillstånd - vetenskapen om universum som helhet. Den ägnas åt beskrivningar av kosmologins grundläggande idéer: det expanderande universum, dess ursprung under Big Bang, evolution, karakteristiska kvantiteter, etc. Vi försökte svara på många vanliga frågor om dessa ämnen. Vi pratar i detalj om två mysterier inom modern vetenskap som är direkt relaterade till kosmologi - mörk materia och mörk energi.
Den här boken skiljer sig från de flesta fackböcker. Den gyllene regeln för att skriva dem är: varje formel i texten halverar antalet potentiella läsare. Vi tog dock en chans och använder ekvationer, men bara där de behövs. Vi försökte minska antalet formler till ett minimum och göra dem så enkla som möjligt, begripliga för alla som studerade matematik eller fysik vid institutet. Formlerna är samlade i speciella avsnitt, markerade i innehållsförteckningen med asterisker som "Avancerat material", och de bör betraktas som sådana. Dessutom är de markerade i texten med en bild av Albert Einstein.
Att hoppa över dem kommer inte att hindra din förståelse av materialet, men det finns flera referenser till dessa avsnitt i huvudtexten, så vi rekommenderar att du åtminstone skummar dem. Varje sådan del börjar med en kort sammanfattning. Dessa avsnitt utgör ett slags enkel lärobok om kosmologi för dem som inte är bekanta med den matematiska apparatur av den allmänna relativitetsteorin (hädanefter kallad GTR), men som gärna vill förstå var kosmologins lagar kommer ifrån.
Resten av boken är avsedd för en allmän publik, även om den förutsätter en viss miniminivå av kunskaper om matematik och fysik. För den som inte ens har grundläggande kunskaper i astronomi rekommenderar vi starkt att läsa flera populära böcker om astronomi. Som den första erbjuder vi Isaac Asimovs verk från 1969 "The Universe: From the Flat Earth to Quasars", som dock är något föråldrat, men detta mer än kompenseras av textens lätthet och klarhet. Andra läsförslag listas i slutet av avsnittet Slutsatser.
Vi försökte presentera materialet utan förenklingar som är typiska för populärvetenskaplig litteratur, och att förklara på vilken grund vissa antaganden eller uppskattningar inom kosmologi görs. I de frågor där modern kosmologi står inför problem gömde vi dem inte bara, utan tvärtom, ägnade vi dem ökad uppmärksamhet. Detsamma gäller situationer där forskarna inte har en klar uppfattning. Vi försökte inte släppa ut hypoteser som etablerade teorier, vilket ofta är fallet. På sätt och vis ligger den här boken någonstans mellan en populärvetenskaplig bok och en lärobok, och är en slags bro över ravinen som skiljer populärvetenskap från sann vetenskap.
Boken är baserad på monografin "Introduktion till modern kosmologi" [Parnovsky, Parnovsky, 2013], som mottogs väl av en mycket bredare publik än vi förväntat oss. Vi har reviderat materialet med hänsyn till läsarnas frågor och önskemål och försökt förklara alla vetenskapliga termer som vi använder.
Kapitel 1
Universums lagar
1.1. Kosmologins ursprung
Den här boken är tillägnad kosmologi - vetenskapen om universums struktur och utveckling som helhet, dess förflutna och framtid. Kosmologi är inte bara en ung, utan en mycket ung vetenskap; hon var bara 100 år gammal. Dess utseende är förknippat med publiceringen 1917 av Albert Einsteins verk "Kosmologische Betrachtungen zur allgemeinen Relativitätstheorie" 1
Den ryska översättningen publicerades under titeln "Questions of Cosmology and General Theory of Relativity" i boken: Einstein A. Samlade verk i 4 volymer T. 1. – M.: Nauka, 1965. s. 601–612.
I den, för första gången, tillämpades fysikens lagar på hela universum på en gång. Specifikt talade vi om ekvationerna för allmän relativitet som nyligen upptäckts av Einstein.
I princip hindrade ingenting denna vetenskap från att dyka upp 250 år tidigare, omedelbart efter Isaac Newtons upptäckt av den universella gravitationslagen. Fysiker från 1600-1800-talen. talade om ett oändligt universum fyllt med stjärnor som planeter kretsar kring. Ett sådant universum existerade för evigt och allt som behövdes för att förutsäga dess framtida tillstånd var kunskap om mekanikens lagar och den aktuella positionen för alla objekt. Emellertid har den universella gravitationskraften i klassisk mekanik en egenhet: den är alltid en attraktionskraft, som aldrig blir en frånstötande kraft. Därför skulle enskilda stjärnor i ett oändligt universum, under påverkan av den ömsesidiga attraktionskraften, så småningom behöva mötas. Frågan om ömsesidig attraktion löstes med ett enkelt men felaktigt resonemang: eftersom universum är oändligt, då är varje partikel föremål för attraktionskraften från ett oändligt antal andra partiklar. Om vi antar att partiklar fyller universum med en konstant densitet kan vi dra slutsatsen att den totala kraften kompenseras, därför kan gravitationsattraktion försummas när man betraktar universums dynamik som helhet.
Den här idén liknar att försöka sätta en penna på spetsen av en ledning. I båda fallen är orsaken till problemet instabiliteten i jämvikten. Även om vi på något sätt lyckas placera pennan vertikalt på den vassa änden av ledningen, så orsakar varje hur liten avvikelse som helst från vertikalen ett kraftmoment som avleder pennan i samma riktning, vilket ökar avvikelsen och stör den ursprungliga jämvikten helt. Inom tekniken kallas detta positiv feedback.
En ännu närmare liknelse involverar vatten i ett uppochnedvänt glas. Många känner till det klassiska experimentet där ett glas vatten, täckt med ett vykort eller tjock kartong, vänds upp och ner och vattnet hålls i glaset av atmosfärstryck motsvarande trycket på 10,3 m vatten. Men få människor tänker på varför kartong behövs för denna upplevelse. Anledningen beror på Rayleigh–Taylors instabilitet: när en tätare vätska (vatten) placeras ovanför en mindre tät (luft 2
Inom hydrodynamik kallas gaser ofta även för vätskor.
), kommer varje avvikelse på ytan från platt att växa exponentiellt med tiden, vilket förstör gränsen mycket snabbt. Processen brukar kallas flytande hällning. Det är därför kartong behövs för demonstrationen: den påverkar inte lufttrycket på något sätt, skapar inga krafter, men fixerar formen på gränssnittet mellan vatten och luft, vilket förhindrar utvecklingen av Rayleigh-Taylor-instabilitet.
På liknande sätt, i ett instabilt universum, bildas regioner med ökad densitet slumpmässigt, mot vilka närliggande stjärnor och regioner med reducerad densitet, kallade tomrum, börjar röra sig. Observera att den ömsesidiga attraktionen av stjärnor som fyller det oändliga universum leder inte bara till en ökning av densitetsstörningar, utan också till en accelererad komprimering av hela universum, d.v.s. till en minskning av avstånden mellan stjärnorna.
Naturligtvis visste forskarna att avvikelser från en enhetlig fördelning av materiedensitet ledde till att inhomogeniteter började växa över tiden, men på den tiden ansågs denna mekanism endast på skalor som inte översteg solsystemets storlek. Enligt Laplaces hypotes bildades solsystemets planeter från den initiala gas- och stoftnebulosan just under påverkan av ömsesidig gravitationsattraktion. Liknande resonemang tillämpades inte på stora skalor. I bilden av världen under övervägande ledde tillväxten av inhomogeniteter i materiens densitet till bildandet av planeter som inte föll på solen bara för att de kretsade runt den. På avstånd som är jämförbara med avståndet till de närmaste stjärnorna ansågs universum redan som något homogent, och man trodde att attraktionskraften från någon kropp till olika stjärnor var fullständigt kompenserad.
Denna rosiga bild kränktes av den så kallade Olbers-paradoxen, formulerad 1823 av den tyske amatörastronomen Heinrich Olbers, en läkare till yrket. Dess väsen var att vi i ett oändligt, oföränderligt universum, istället för natthimlen, skulle se en het himmelssfär, glödande som solens yta. Detta förklaras på följande sätt: om vi delar upp universum i koncentriska sfäriska skal med konstant tjocklek med jorden i centrum, kommer ljusflödet som faller på jorden från vart och ett av skalen att vara detsamma, eftersom antalet stjärnor i de kommer att öka i proportion till kvadraten på avståndet, vilket kommer att kompensera för en liknande faktor i formeln för belysning. Eftersom antalet lager är oändligt, blir den totala summan oändlig. Den enda anledningen till att belysningen fortfarande kommer att vara ändlig är att de närmare stjärnorna kommer att skymma de avlägsna. Med andra ord, oavsett vilket håll vi tittar, måste vår siktlinje förr eller senare snubbla på någon stjärna.
Ändå vet var och en av oss mycket väl att en helt annan bild observeras på natten. Som en enkel lösning på Olbers-paradoxen har en variant föreslagits där ljuset från avlägsna stjärnor absorberas av moln av interstellärt damm, men denna lösning låter övertygande endast för dem som inte kan fysik. Under en lång tidsperiod skulle detta damm, som absorberar strålning, värmas upp till de omgivande stjärnornas temperatur och självt bli ett lysande föremål.
Med tiden ledde framsteg inom astronomi till den modell av universum som William Herschel föreslog i slutet av 1700-talet. I den fyllde stjärnorna inte hela universum, utan bildade en enda stjärnhop som kallas galaxen och hade en linsformad form. I detta avseende uppstod frågan: varför faller inte stjärnor på galaxens mitt? Svaret var lika enkelt som svaret på frågan varför planeter inte faller in i solen: de kretsar runt den. På samma sätt kretsar enskilda stjärnor i galaxen runt dess centrum. Solens rörelse i förhållande till galaxens centrum upptäcktes av samme Herschel 1783. Med mindre förtydliganden ansågs denna bild av universum vara allmänt accepterad fram till början av 1900-talet. Galaxidén löste Olbers paradox, eftersom materia nu upptog en ändlig volym i universum. Men efter att andra galaxer upptäcktes blev Olbers paradox återigen aktuell.
Kosmologin, som potentiellt skulle kunna dyka upp i slutet av 1600-talet, dök alltså upp först i början av 1900-talet. och firade nyligen sitt hundraårsjubileum. Kosmologins framväxt är förknippat med en överraskande omständighet: vanligtvis dyker nya vetenskaper upp i den enklaste formuleringen och går sedan, under sin utveckling, vidare till mer komplexa modeller, beräkningar och använder mer och mer moderna fysikaliska teorier. Till exempel tillbringade fasta tillståndsfysik århundraden för att få resultat baserade på klassisk fysik, och först då började framgångsrikt använda kvantmekanik.
Kosmologi dök genast upp i sin mest komplexa version – i form av relativistisk kosmologi baserad på allmän relativitet. Det var bara decennier senare som kosmologer upptäckte, till sin stora förvåning, att en mycket enklare icke-relativistisk kosmologi kunde övervägas. Faktum är att ett homogent universum utvecklas lika i alla dess delar, och för att studera dess utveckling som helhet räcker det att studera utvecklingen av ett litet område av rymden, till exempel 1 cm³. Och när man studerar 1 cm³ är krökningen av rum-tid och andra komplexa frågor om allmän relativitet inte längre viktiga.
Men detta är bara sant i fallet med ett homogent och isotropiskt universum. I en sådan värld finns det ingen vald plats eller föredragen riktning, ingen punkt är bättre eller sämre än någon annan, och ingen riktning är bättre eller sämre än någon annan. Denna idé är känd som den kopernikanska principen. Även om inte alla resultat av den relativistiska kosmologin kan erhållas inom ramen för den icke-relativistiska kosmologin, är de grundläggande begreppen härledda helt enkelt. För att härleda, förstå och analysera dem räcker det med kunskaper om fysik på junioruniversitetsnivå. Därför, i boken, i de fall där vi helt enkelt inte kunde motstå önskan att skriva några formler, begränsade vi oss till icke-relativistisk kosmologi.
Fråga: Hur skiljer sig kosmologi fundamentalt från andra vetenskaper?
Svar: Eftersom den studerar ett unikt, unikt, tidsföränderligt objekt, som vi är en del av. Som ett resultat kan det inte vara tal om repeterbarhet eller reproducerbarhet, än mindre aktiva experiment. I detta avseende är det mycket svårt att tillämpa falsifierbarhetskriteriet på kosmologiska teorier, vars uppfyllande krävs av alla vetenskapliga teorier. En liknande situation förekommer inom vissa andra vetenskapliga discipliner, såsom historia och evolutionsbiologi.
1.2. Principer för allmän relativitet
Framväxten av vetenskapen om kosmologi föregicks av framväxten av allmän relativitet, som slutligen formulerades av Einstein 1916. Denna teori är en av höjdpunkterna i modern fysik. Eftersom dess idéer och terminologi används flitigt inom kosmologin, bestämde vi oss för att beskriva grunderna för allmän relativitet, som är ganska enkla att förstå och kan förklaras utan användning av komplex matematik. Vi börjar med tre klassiska effekter av generell relativitetsteori.
1.2.1. Precession av perihelionDen första effekten upptäcktes av astronomer långt innan den allmänna relativitetsteoriens tillkomst. Detta är precession 3
Perihelionprecession är den mycket långsamma rotationen av den heliocentriska omloppsbanan (banan runt solen) i dess plan.
Perihelium 4
Perihel är den punkt i den heliocentriska omloppsbanan som är närmast solen.
Merkurius, som visar sig som rotationen av Merkurius omloppsbana som helhet runt solen med en mycket låg vinkelhastighet - mindre än 6 bågsekunder per år. Detta var inte den första upptäckta avvikelsen från himlamekanikens enklaste lagar sedan deras upptäckt av Johannes Kepler. Tidigare, i mitten av 1800-talet, förklarades ett liknande beteende i Uranus omloppsbana framgångsrikt av gravitationspåverkan från en då okänd planet, som senare fick namnet Neptunus.
En av förutsägarna för Neptunus existens, Urbain Le Verrier, tillämpade samma tillvägagångssätt på Merkurius omloppsbana, vilket antydde att det fanns en ny planet, Vulcan, som borde vara belägen mycket nära solen och dold i dess ljus. Efter denna förutsägelse rapporterade både professionella och amatörastronomer i flera decennier att de observerade denna hypotetiska planets passage över solskivan, men sedan, efter förbättringar av teleskop, visade sig dessa rapporter vara felaktiga. Vi vet nu att planeten Vulcan inte existerar, och det var nästan säkert känt för 100 år sedan. Således var rotationen av Merkurius bana tvungen att förklaras på något sätt.
Allmän relativitet förklarade inte bara precessionen av Merkurius perihelion, utan gav också exakt kvantitativ överensstämmelse mellan teorin och den observerade precessionshastigheten. Efter ytterligare förbättring av observationsnoggrannheten upptäcktes en liknande precession av Venus perihelion, som tillsammans med andra effekter som beskrivs nedan bekräftar riktigheten av den allmänna relativitetsteorien. Som ett resultat utfärdade International Astronomical Union (IAU), världens högsta auktoritet inom astronomi, ett dekret som kräver att man beaktar effekterna av allmän relativitet i noggranna beräkningar av himlakropparnas banor i solsystemet.
En ännu mer imponerande uppvisning av precession, i detta fall periastron (den punkt i omloppsbanan som är närmast stjärnan), observeras i system av binära pulsarer 5
En pulsar är en starkt magnetiserad roterande neutronstjärna som sänder ut en stråle av elektromagnetisk strålning i en riktning som roterar med stjärnan. Den emitterade strålningen kan bara observeras när strålen riktas mot jorden och detekteras därmed som en serie pulser.
I det här fallet roterar två massiva kroppar med en period av flera dagar på kort avstånd från varandra. Allmän relativitetsteori beskriver deras rörelse med en noggrannhet på 0,01%, medan energiförluster observeras på grund av utstrålning av gravitationsvågor. Russell Alan Hulse och Joseph Haughton Taylor Jr. fick 1993 års Nobelpris i fysik för deras upptäckt av sådana system.
1.2.2. Ljus avböjningDen andra effekten är böjningen av ljusstrålar i gravitationsfältet hos massiva föremål. Denna krökning i sig var inte oväntad och är ganska förståelig inom ramen för den newtonska mekaniken. Men ljusets avböjningsvinkel som förutspåddes av allmän relativitet var dubbelt så stor som Newtons. Orsaken till denna koefficient kommer att diskuteras nedan i underavsnitt 1.3.2.
På den tiden var fenomenet rent spekulativt, men den nämnda skillnaden i avböjningsvinklarna gjorde det möjligt att ta reda på vilken av teorierna som korrekt beskrev denna effekt, och tvingade astronomer att mäta dess storlek. För att göra detta var det nödvändigt att mäta positionen för en stjärna, vars ljus fortplantade sig nära solen och avböjdes i dess gravitationsfält, vilket förändrade stjärnans uppenbara position på himlen. Med modern noggrannhet kan denna effekt mätas även i en riktning vinkelrät mot solen, med hjälp av en mycket lång baslinjeradiointerferometer (VLBI), men i början av 1900-talet. det kunde bara mätas i ett mycket litet område av himlen runt solen.
Detta gjordes av Sir Arthur Eddingtons expedition, som mätte stjärnornas positioner under den totala solförmörkelsen 1919. En total solförmörkelse var nödvändig eftersom astronomer vid den tiden bara kunde göra observationer i synligt ljus, och solens ljus skulle har gjort det omöjligt att observera stjärnor nära skivan. Eddington och hans kollegor genomförde observationer i Brasilien och på Afrikas västkust. Genom att jämföra fotografier av himlen nära solen under en förmörkelse och samma område av himlen långt från solen, mätte de den avböjningsvinkel som matchade Einsteins förutsägelse. Dessa observationer var fortfarande inte tillräckligt exakta, men situationen förbättrades avsevärt efter tillkomsten av radioteleskop.
Effekten av ljusböjning är grunden för så kallad gravitationslinsning, där flera bilder av samma föremål observeras. Det studeras aktivt och används till och med som ett verktyg för icke-standardiserad observation av extremt avlägsna objekt. Vi kommer att diskutera detta i underavsnitt 4.2.7.
1.2.3. GravitationsrödförskjutningDen tredje effekten kallas gravitationsrödförskjutning 6
Rödförskjutning uppstår när våglängden ökar. Den motsatta effekten kallas blåskiftning. Namnen kommer från det faktum att rött ljus har längre våglängder än blått ljus, även om båda termerna gäller alla frekvensområden för elektromagnetisk strålning, inte nödvändigtvis synligt ljus.
Och beskriver skillnaden i tidens hastighet vid punkter med olika gravitationspotentialer 7
Gravitationspotential är den potentiella energin hos en kompakt kropp i ett gravitationsfält, beräknad per enhet av dess massa. Det är detta värde som bestämmer tidens hastighet i svaga gravitationsfält.
Grovt sett går tiden snabbare på översta våningen i en byggnad än i dess källare. Detta är anledningen till frekvensändringen. Låt källan i källaren sända säg 1000 signaler per sekund. De fångas av mottagaren på taket, men för mottagaren har sekunderna en annan varaktighet, så att den under sin andra inte tar emot 1000, utan till exempel 999 signaler. Med andra ord skiftas frekvensen vid mottagaren i förhållande till källans frekvens.
Astronomer har observerat gravitationsrödförskjutningar i emissionsspektra från vita dvärgar, särskilt Sirius B, som ungefär innehåller solens massa inom jordens volym. Som ett resultat överstiger gravitationspotentialen på dess yta avsevärt de maximala värdena som observeras i solsystemet.
Denna effekt demonstrerades också i laboratoriet av Robert Pound och Glen Rebka 1959. De strukturerade sitt experiment kring den grundläggande idén om kvantmekanik att excitera en atom från grundtillståndet 8
Grundtillståndet är tillståndet för atomen med minsta energi. Alla andra tillstånd än den huvudsakliga kallas upphetsad.
Den måste absorbera en foton med exakt samma energi eller våglängd som den exciterade atomen avger när den övergår till grundtillståndet 9
Detta förhindras av rekylenergin hos atomen som sänder ut en foton, men den saknades i experimentet på grund av användningen av Moesbauer-effekten, upptäckt strax före dessa experiment.
Om något (i vårt fall, gravitationell rödförskjutning) ändrar, om än bara något, energin eller våglängden för fotonen när den rör sig från en atom till en annan, kommer fotonen inte att absorberas. Det kan dock fortfarande absorberas om mottagaratomen rör sig på ett sådant sätt att förändringen i våglängd på grund av Dopplereffekten 10
Dopplereffekten är en förskjutning i frekvensen av periodiska signaler som orsakas av rörelsen hos källan eller mottagaren eller båda och den ändliga hastigheten för signalutbredning. I motsats till vad många tror, gäller detta inte bara för vågor, utan också för eventuella periodiska signaler. När källan och mottagaren rör sig mot varandra ökar frekvensen som detekteras av mottagaren, och när de rör sig bort från varandra minskar den.
Kompenserar för våglängdsförändringar på grund av gravitationsrödförskjutning.
Så Pound och Rebka placerade en järnplatta i källaren, fäste en annan till en högtalarkon på taket och mätte den fas på högtalaren vid vilken gammaflödet som producerades av de exciterade järnatomerna i källaren absorberades starkast av järnet. atomer på taket. Detta gjorde det möjligt för dem att beräkna förändringen i fotonenergi på grund av skillnader i gravitationspotential eller tidens hastighet på taket och i källaren. Deras resultat överensstämde med den allmänna relativitetsförutsägelsen inom 10 % fel.
Denna effekt testades ytterligare av Gravity Probe A-experimentet 1976, då en vätemaser placerades på en raket och användes som en extremt stabil frekvensoscillator. En identisk maser vilade på marken. Detta experiment bekräftade förekomsten och överensstämmelsen av allmän relativitet med gravitationsrödförskjutning inom ett fel på 0,01%. Idag tar man vanligtvis hänsyn till gravitationsrödförskjutning när exakta tidsmätningar krävs: till exempel när man använder GPS och andra navigationssatelliter. Det tas också i beaktande av astronomer när de bestämmer jordens tid, geocentrisk tid och barycentrisk tid, som introducerades av IAU 1991, som representerar tid vid havsnivån, i jordens mitt respektive vid barycentret. 11
Barycentret är det allmänna masscentrumet för ett gravitationsbundet system.
Solsystem.
"Discovery: How the Universe Works (TV-serie 2010 – 2014)" (How the Universe Works) är en amerikansk film i flera delar, filmad 2010, i genren vetenskaplig dokumentär. Filmen fick fantastisk popularitet, även om många producenter inte förväntade sig det. Serien väckte uppmärksamhet från en varierad åldersgrupp och filmades under fyra säsonger. Skaparna av projektet kommer att lansera en ny serie, som denna gång kommer att prata om olika teorier om skapandet av universum, allt från big bang till strängteori. Handlingen i filmen från det första avsnittet berättar om uppkomsten av vårt universum, med början med många teorier om utseendet på de första minsta partiklarna. Varje avsnitt berättar i detalj varje cykel och alla processer som ägde rum i universum. Tack vare smidiga övergångar presenteras alla berättelser och även svåra astrofysiska koncept för publiken på ett tillgängligt språk, som ger svar på många frågor. Serien använder den senaste grafikteknologin, tack vare vilken du kan se fantastiska fenomen. Den begåvade specialeffektmästaren, Matt Stevenson, bjöds in till filmen som en visuell effektmästare, som höjde filmen till en ny nivå.
Universum är inte dead space. Detta är en levande och oberoende organism, en sorts personlighet som dikterar sina egna villkor och regler för oss, som inom bioenergi kallas universums lagar.
Alla universums lagar är extremt enkla och okomplicerade. Kosmos bygger inte labyrinter åt oss, utan försöker leda oss ut ur dem. Människor skapar svårigheter för sig själva utan hjälp utifrån. När du lever enligt universums lagar är du alltid inställd på rätt våg. Livet är enkelt och tydligt, men bara för den som vill förstå det.
Varför du behöver leva enligt universums lagar
Universums lagar kommer inte att tvinga dig att avsäga dig religion och allt du tror på. De kommer helt enkelt att vägleda dig i rätt riktning och visa dig sanningens ljus. Ingenting kommer bokstavligen att förändras - bara din syn på världen kommer att förändras. Allt du har strävat efter sedan ungdomen kommer att bli tydligare och tydligare.
Vi är universums barn. Vi är gjorda av stjärndamm som bildades för flera miljarder år sedan. Inom bioenergi finns det något som heter ett överflödscentrum, vilket ger oss lycka på alla områden av livet. Genom att upprätthålla kontakt med detta center förser du dig med förmögenhet. Tro på universums lagar kommer att hjälpa till att etablera och stärka denna koppling. Acceptera dessa enkla sanningar för att förstå hur allt fungerar i den här världen.
10 universums lagar
Lag ett: tanken är materiell. Många av er har säkert sett Hollywood-filmer där hjältar kan skapa verklighet runt sig själva bara genom att föreställa sig något i deras huvuden. Naturligtvis kommer du inte att kunna skapa din egen lycka i denna hastighet, men det fungerar verkligen. För att hitta en hobby, ditt drömjobb, kärlek och framgång måste du föreställa dig allt. Kom ihåg att du är en skulptör, en konstnär som målar med dina tankars färger på livets duk. Ödet och karma finns, men de är inte lika starka som din egen tro på dig själv och dina handlingar. Livet är inte en bok som redan är skriven, utan en bunt tomma sidor som du kan slänga, riva upp, låta någon annan fylla i eller tvinga dig själv att sätta dig ner och skriva allt själv.
Lag två: alla goda ting börjar med godhet i själen. Din inre godhet skapar ljus omkring dig. Arga människor snubblar ständigt över elakheter, dystra människor - mot regn en klar dag, glada människor - mot glädje och positivitet. Om du vill ha gott, ska du inte vara arg, snål eller avundsjuk. Inte konstigt att folk har sagt sedan urminnes tider att om du vill bli väl behandlad, så gör det själv. I universum är allt konsekvent, allt är logiskt och oåterkalleligt. Kom ihåg det här.
Lag tre: De största förändringarna i livet sker inom de områden som vi ägnar mest uppmärksamhet. De flesta av oss vet att vatten aldrig kommer att rinna under en liggande sten. Om du ligger på soffan och tittar i taket, kommer pengar inte in i ditt liv. Om du inte letar efter kärlek, kommer du inte att hitta den 99 procent av tiden. För att föra situationen framåt måste något göras. Lämna inte ett enda hörn av din själ, ditt liv utan uppsikt. Detta kommer att göra det mer intressant, enklare och helt enkelt bättre för dig.
Lag fyra: Vilken är din miljö, det är du också. Denna universums lag kan också dupliceras med talesättet - vem du än beter dig med, kommer du att vinna på det. Din närmaste krets, representerad av dina betydande andra och bästa vänner, är din reflektion. Om du inte är nöjd med någon, så tyder det på ett akut behov av förändring. Det betyder ofta att du redan har ändrats. Många tror felaktigt att vi inte väljer vänner och kärlek, men det är inte sant. Dessutom kan du förändra ditt liv genom att hitta rätt personer. Om du vill hitta framgång inom finanssektorn, kommunicera mer med framgångsrika individer. Ljusa människor hjälper dig att bli snällare. Du kan bara bli kär ömsesidigt om du inte är avstängd, även om till och med slutna människor kan hitta sin själsfrände - du behöver bara vara lite mer uppmärksam.
Lag fem: allt vi ger till världen omkring oss kommer tillbaka till oss dubbelt. Om du skriker inför mänskligheten att du hatar den, då kommer hat att fylla ditt liv. Responsen från människor kommer att vara liknande, och ibland mycket starkare. Detta gäller inte bara ord och handlingar. Även stämningen förmedlas perfekt i rymden. Vissa människor känner det, och andra gör det inte, men faktumet i sig är obestridligt - goda handlingar kommer att göra dig lyckligare, och dåliga handlingar kommer att göra dig olycklig.
Lag sex: Tvivel är roten till alla problem. Om du planerar att göra något på allvar, bli av med tvivel och självtvivel. När människor skapade konstföremål, tekniska mästerverk och geniala uppfinningar lät de inte tvivel ta över deras sinnen. Så låt dem inte tvinga sig själva att tro att det inte finns någon kärlek, pengar kan inte tjänas och hälsan kan inte återställas.
Lag sju: vi är alla lika. Det finns inga människor som är bättre än någon annan eller högre i rang. Universum har ingen gradering i detta avseende. Du måste leva och njuta av varje ögonblick utan att hänga upp dig i någonting. Universum har inga favoriter, till vilka det ger allt, och tar allt från andra. Vi är alla lika. Utan undantag.
Lag åtta: Varje tanke kräver en viss tid för att förverkligas.. Ibland tar det mer tid, ibland mindre, men ingenting händer direkt. Detta ger oss en chans att avgöra vad som är bra och vad som är dåligt för att blockera negativa tankar i tid.
Lag nio: Genom att övervinna svårigheter blir vi starkare. Eventuella problem inom varje område av livet ger oss verkligen ovärderlig erfarenhet. Om du vill bli framgångsrik måste du lära dig av misstagen. Ingen har någonsin lyckats uppfylla en dröm första gången och utan misslyckande. Bara längs en gropig och trasig väg kan man komma till en jämn och trevlig.
Lag tionde: allt vi ser är obeständigt. Världen lever i dynamik. Universum tenderar mot kaos och kräver motsatsen av oss. Vi måste förstå vad vi vill. Du måste förverkliga ditt uppdrag i den här världen. Detta är målet för varje person.
Lev varje ögonblick och låt inte tvivel, negativitet och omständigheter få dig att vända och gå bakåt. Öka din energi så att din förbindelse med universums centrum för överflöd bara intensifieras. Den här världen kan ge dig så mycket som du inte ens kan föreställa dig. Lycka till och glöm inte att trycka på knapparna och
Begreppet karma i religioner som hinduism och buddhism antyder att våra handlingar i nuet påverkar våra liv i framtiden - det vill säga vi kan se tillbaka på våra tidigare beslut och dra slutsatser om hur de ledde oss till vår nuvarande situation. Naturligtvis kan denna teori ses med skepsis, eller till och med förnekas helt och hållet. Men vi ser fortfarande ibland ett samband mellan att göra goda handlingar och belöna, och att göra dåliga handlingar och straff, även om vi mycket väl kan tro att detta bara är en fråga om mänskligt ingripande snarare än någon universell handling. Så låt oss titta på de universella reglerna för hur universum fungerar.
● Handlingar betyder mer än ord
Du kanske har de bästa avsikterna och tror att det gör dig till en värdig person. Detta är dock inte alltid fallet. Det räcker inte att bara ha bra tankar i huvudet, du måste omsätta dem i praktiken.
● Allt spelar roll
Fjärilseffekten brukar nämnas som ett exempel. Detta hjälper till att visa hur till synes obetydliga handlingar kan få långvariga konsekvenser. Du kan själv se hur viktiga alla dina handlingar är. De minsta manifestationerna kan ha en enorm inverkan på världen omkring dig. Handlingens sammanlänkning är en av de grundläggande principerna för hur universum fungerar.
● Att erkänna vårt förflutna
För att gå framåt och förbättra dig själv och ditt liv måste du vara villig att undersöka dina tidigare handlingar. Förlåt dig själv för dina misstag och undvik att upprepa dessa misstag. Tillväxt börjar när du förstår och accepterar dess nödvändighet.
● Avkastning på investeringen
Om du undrar varför världen inte ger dig någon positivitet, tänk först på om du ger världen någon positivitet. Det är ingen mening med. Ärligt talat, det är bara själviskt att förvänta sig att någon ska ge dig något för ingenting. Faktum är att universum fungerar som en bumerang.
● Att stanna i nuet
Det förflutna finns inte längre i din makt och kontrolleras inte av dig. Men du kan fortfarande bestämma framtiden lite, men bara om du fokuserar på nuet. När du är närvarande i nuet förbättrar du ditt framtida jag.
● Vilja att förändras
Att vara envis och oflexibel kommer inte att göra något för att förbättra ditt liv. Du måste vara villig att erkänna att du har gjort misstag och visa en vilja att förbättra dig. Blunda inte för dina egna misstag.
● Positivitet
Försök inse hur mycket glädje det finns i vår värld och börja fatta rätt beslut. Om du känner dig nere, påminn dig omedelbart om att positivt tänkande avsevärt kan förbättra dina livsförhållanden och hur du uppfattar saker. fungerar inte på negativitet!
● Ansvar
Ovillkorligt ansvar för dina handlingar är en av universums största lagar. Med varje beslut du fattar kommer du att se de långsiktiga konsekvenserna. Vad som än händer härnäst kommer du att korrekt förstå vad som orsakade vissa händelser.
● Låt världen "arbeta" enligt dess lagar
När vi lätt blir frustrerade kan det bero på att vi tror att världen är skyldig oss något. Livet är inte i sig rättvist eller orättvist. Livet är bara livet. Vår livskvalitet bestäms inte av yttre faktorer, utan av hur vi uppfattar dem. Släpp de saker som redan har tjänat sitt syfte eller som ligger utanför vårt. Du kommer inte alltid att kunna påverka omständigheterna. Även om du förstår hur universum fungerar. Så det är värt att bara acceptera.
● Ge inte upp
Du måste vara beredd att vänta. Du vet aldrig hur nära du är att vinna. Och när det är särskilt svårt för dig och du vill ge upp, är vändpunkten till det bättre mycket nära.
Dessa principer för universums funktion är inte avsedda att göra mänskligt liv smärtsamt. Tvärtom hjälper de människor att ta bättre kontroll över sina liv och förstå konsekvenserna av alla deras handlingar. När du inser att dina beslut avgör ditt livs gång, kommer du att ständigt vilja göra det som är bäst, rättvist och rättvist möjligt.
Enlightener Prize
Zimin Foundation
"Hur universum fungerar"
Kosmologi som vetenskap är bara hundra år gammal, men den vet redan mycket om hur vårt universum fungerar - hur allt som omger oss bildades, från atomer till galaxer, var och när Big Bang inträffade, vad galaxernas recession betyder och vad universums framtid är. Boken av S.L. talar om denna vetenskap och dess prestationer. Parnovskys "How the Universe Works: An Introduction to Modern Cosmology" ("Alpina Non-Fiction"), som ingick i den långa listan över 2018 års Upplysningspris. Vi erbjuder våra läsare N+1 bekanta dig med ett fragment ur den.
Big Bang
Så, på 1930-talet. Det blev tydligt att universum expanderar, vilket tydligt manifesteras i galaxernas recession. Men svaret på frågan om universum hade en början, även kallad Big Bang, var inte så självklart som det verkar vid första anblicken. Begreppet Big Bang föreslogs av Lemaitre 1931, och själva termen myntades av Fred Hoyle 1949. (Fred Hoyle var en motståndare till idén att universum hade en början, och termen "Big Bang" var ursprungligen används i ett nedsättande sammanhang.)
Faktum är att värdet på Hubble-konstanten i det förflutna kunde skilja sig betydligt från den nuvarande. Om den var större skulle det betyda att universums livstid var överskattad och det måste ha varit en Big Bang. Vi står inför en liknande situation i alla typer av Friedmann-modellen, där Hubble-konstanten faller när universums ålder ökar, mätt från Big Bang. Lagen enligt vilken Hubble-konstanten förändras beror på vad universum övervägande är fyllt med. Om universum är fyllt med så kallad "kall" materia, det vill säga partiklar och föremål vars hastigheter är betydligt lägre än ljusets hastighet, till exempel stjärnor, damm, interstellär gas, så minskar Hubble-konstanten enligt en lag. Om materia presenteras i form av partiklar som rör sig med en hastighet som är lika (till exempel fotoner - kvanta av elektromagnetisk strålning) eller nära (till exempel en neutrino, som enligt moderna koncept har en liten vilomassa som inte är noll) till ljusets hastighet, så sker fallet snabbare. Hur som helst, i ögonblicket för Big Bang är Hubble-konstanten för Friedmann-modellen oändligt stor.
Men om Hubble-konstanten var mindre än den är nu, kan vi anta en situation där galaxer spreds till sitt nuvarande tillstånd under en oändlig tidsperiod, det vill säga i sådana modeller har universum alltid funnits och det var helt enkelt ingen Big Bang. Ett exempel på sådana modeller är de Sitter-lösningen, där universum är tomt, men det finns en kosmologisk konstant. I det här fallet ökar universums storlek exponentiellt med tiden, dvs innan det var betydligt mindre. Det finns ingen Big Bang i denna modell. Det finns dock ett till synes övertygande argument mot icke-Big Bang-modeller. Eftersom galaxer rör sig ifrån varandra var de tidigare belägna närmare varandra. Om vi går längre in i det förflutna får vi ett universum med en mycket hög densitet av materia.
Ändå har astronomer kommit fram till en modell av ett ständigt expanderande universum, där vi tidigare skulle ha observerat exakt samma bild som nu. Denna fantastiska modell, föreslagen av Fred Hoyle och Jayant Narlikar, kallas stationär och har drag av både Einsteins statiska modell (ingenting förändras över tiden) och Friedmanns dynamiska modell (universum expanderar). Skaparna av denna teori lade fram den så kallade "ideala kosmologiska principen", eller Copernicus absoluta princip. Den vanliga Kopernikanska principen säger att universums egenskaper är desamma på alla punkter i rymden. Denna princip uppstod ur insikten att jorden inte är universums centrum och att dess läge inte är något speciellt. Den "ideala" kosmologiska principen lägger till tidsoberoende till detta. Önskan om en idealisk värld, i kombination med bristen på direkta bevis vid den tiden för existensen av Big Bang, ledde till uppkomsten av sådana konstiga idéer.
För att densiteten inte skulle sjunka under universums expansion var det nödvändigt att anta att materia uppstår från ingenting jämnt över hela universum och med en sådan hastighet att den kompenserade för sällsyntheten orsakad av expansionen. Denna teori om det kontinuerliga skapandet av materia kan också beskrivas i en mer beslöjad form. Låt oss anta att det i universum finns ett fält som är okänt för vetenskapen ännu, kallat C-fältet (från det engelska ordet creation - creation), som å ena sidan säkerställer universums expansion, och å andra sidan, kan förvandlas till vanlig materia, vilket säkerställer dess kontinuerliga generering. Beräkningar har visat att enligt denna teori bör en väteatom födas på 1 m3 per miljard år.
De nyskapande artiklarna om steady-state kosmologi publicerades av Hermann Bondi, Thomas Gold och Fred Hoyle 1948. Märkligt nog har denna teori fortfarande ett antal anhängare, ledda av Narlikar, en av dess författare, som försöker förklara moderna kosmologiska data med stationär modell på 2000-talet. En detaljerad redogörelse för utvecklingen av denna teori finns i Helga Krags granskning. Det bör noteras att det finns ett mycket litet antal forskare som förnekar Big Bang.
Big Bang-teorin har utarbetats i detalj. Detta gjordes av en infödd i Odessa, Georgy (George) Gamow. En sovjetisk fysiker, motsvarande medlem av USSR Academy of Sciences, flydde han och hans familj till väst, där han fortsatte att studera fysik. Inom ramen för Big Bang-teorin undersökte han i detalj alla stadier som universum gick igenom i de tidiga stadierna av dess existens. Teorin besvarade frågan om vilka partiklar och i vilken mängd som fyllde universum vid varje tidpunkt, hur dess temperatur förändrades, hur nukleosyntes skedde, det vill säga bildandet av kärnor av tyngre grundämnen från lättare grundämnen.
Detta var den första kosmologiska modellen som inte var begränsad till att lösa Einsteins ekvation. Den använder Friedmans kosmologiska lösning, men särskild uppmärksamhet ägnades åt vad universum var fyllt med i olika skeden av dess utveckling och vilka processer som ägde rum. Innehållet i universum påverkade graden av dess expansion, så både universums expansion och utvecklingen av materien som fyllde det måste studeras samtidigt.
Alla förutsägelser av Gamows teori, som kunde verifieras av astronomiska data, bekräftades, och upptäckten av kosmisk mikrovågsbakgrundsstrålning blev ett avgörande argument till förmån för dess riktighet. I decennier sedan dess har kosmologer kallat Gamows teori för den vanliga kosmologiska modellen eftersom den ligger till grund för alla kosmologiska beräkningar. Vissa detaljer förtydligades, men omarbetades inte nämnvärt. I rättvisans namn borde Gamow ha delat 1978 års Nobelpris i fysik med Penzias och Wilson, men Gamow dog 1968 och Nobelpriset kan inte delas ut postumt.
Observera att förutom den vanliga kosmologiska modellen, fick Gamow även andra resultat värda Nobelpriset, till exempel skapade han teorin om alfa-förfall av kärnor. Det är svårt att säga om Nobelkommittén ansåg detta resultat inte tillräckligt viktigt för Nobelpriset eller inte ville bråka med Sovjetunionen, som uppenbarligen inte skulle glädjas om priset tilldelades en avhoppare. Det är märkligt att han teoretiskt sett också skulle kunna kvalificera sig för Nobelpriset i fysiologi eller medicin för att förklara principerna för att registrera information i DNA med tripletter av nukleotider.
Men låt oss återvända till den vanliga kosmologiska modellen, som i sig verkligen förtjänade Nobelpriset. En populär presentation av slutsatserna av denna modell finns i många böcker, inklusive populärvetenskap. Boken "De första tre minuterna" av Nobelpristagaren Steven Weinberg, som beskriver de första tre minuterna av vårt universums existens, enligt Gamows teori, blev en bästsäljare på sin tid.
Fråga: Var exakt inträffade Big Bang?
Svar: Denna fråga kan ofta höras även från professionella fysiker. Svaret är enkelt: välj vilken punkt du vill, till exempel nästippen. Det var vid denna tidpunkt som Big Bang inträffade. Men vilken annan punkt som helst i vårt universum är inte värre, eftersom Big Bang också inträffade där, och samtidigt. Historien om någon punkt som går tillbaka till det förflutna (även kallad världslinjen) kommer förr eller senare att hamna i Big Bang. Anledningen till denna fråga verkar vara filmer från populärvetenskapliga filmer, som ofta illustrerar Big Bang som visas utifrån. I det verkliga universum kan Big Bang inte observeras från utsidan, eftersom denna "utsida" helt enkelt inte existerar. Om vi drar en analogi med en bombexplosion, så är detta inte en bombexplosion som observeras utifrån, utan en bombexplosion ur synvinkeln av mikroberna som lever inuti den, även om denna analogi inte är helt korrekt, eftersom bomben är inte ett punktobjekt.
Fråga: Gäller fysikens lagar på Big Bang?
Svar: I matematiska termer är ögonblicket för Big Bang vad som kallas en singularitet eller funktion. Termen "kosmologisk singularitet i det förflutna" tillämpas också på Big Bang. Nära en sådan singularitet tenderar rumtidens krökning till oändlighet.
Här är det nödvändigt att göra en liten avvikelse. Faktum är att modern vetenskap utgår från antagandet att fysikens lagar är desamma överallt i den observerbara delen av universum. Trots pågående testning av detta antagande har det ännu inte uppstått några rimliga tvivel om dess giltighet. Dessutom nämns ordet "observerbar" av en anledning, eftersom fysikens lagar, enligt vissa teorier, kan vara helt annorlunda bortom den kosmologiska horisonten.
Låt oss nu gå tillbaka till Big Bang. Modern vetenskap kan inte beskriva universums tillstånd omedelbart efter det, eftersom motsvarande teorier (till exempel kvantgravitation) ännu inte har skapats. Ändå hoppas vi att existerande teorier på ett ganska tillfredsställande sätt kan beskriva universum, vars ålder avsevärt överstiger Planck-tidsenheten, ungefär lika med 10–42 s. Orden "vi hoppas" används här eftersom det är osannolikt att vi någonsin kommer att kunna observera något relaterat till detta tidiga skede av universums existens.
Fråga: Varför inträffade Big Bang?
Svar: En sådan här fråga är lätt att ställa, men svår att svara på. De flesta kosmologer tror att Big Bang är resultatet av kvanteffekter som kvantfluktuationer eller kvanttunnlar.
Fråga: Hur kunde ett gigantiskt universum med många galaxer bildas som ett resultat av en kvantfluktuation?
Svar: Låt oss börja med ett fantastiskt faktum om det gigantiska universum med miljontals galaxer. Det är känt att atomkärnan har en massa som är mindre än den totala massan av dess ingående protoner och neutroner, vilket i själva verket är orsaken till deras existens. Detta fenomen kallas en nukleär defekt (även kallad en brist) av massa. Massan, i enlighet med formeln E = mc 2, minskar med energin av kärnväxelverkan dividerat med kvadraten på ljusets hastighet. I vårt universum är denna effekt obetydlig. Men i gravitationsfältet finns ett eget gravitationsunderskott. Därför är universums massa lika med massan av dess beståndsdel minus gravitationsmassunderskottet. För ett slutet universum är den totala massan mycket lätt att komma ihåg: den är lika med noll. Gravitationsmassdefekten kompenserar helt för materiens massa.
Och att bilda ett objekt med noll massa genom kvantfluktuationer verkar inte längre vara en så omöjlig sak.
Fråga: Varför bildas inte nya universum i vårt universum?
Svar: Detta är inte alls ett faktum. Det finns hypoteser om att nya universum föds hela tiden. Det är möjligt att medan du läste den här meningen, bildades ett nytt universum mindre än en kilometer från dig. Men för en extern observatör liknar detta universum en exotisk elementarpartikel. Moses Markov kallade sådana partiklar för friedmons.
Fråga: Vad hände före Big Bang?
Svar: Modern vetenskap kan inte ge något svar på denna fråga. Om någon påstår sig veta svaret har de troligen fel. Ett elegant sätt att undvika att svara på denna fråga är att säga att tiden dök upp tillsammans med vårt universum och att konceptet "före Big Bang" helt enkelt inte existerar.
Läs i sin helhet:
Parnovsky S.L. Hur universum fungerar: en introduktion till modern kosmologi. - M.: Alpina facklitteratur, 2018. - 277 sid.
