Visums: definīcija, struktūra un kosmoloģiskās atziņas

Vārds Visums ir cēlies no senfranču valodas vārda Univers, kas cēlies no latīņu valodas vārda universum. Cicerons un vēlākie latīņu autori latīņu valodā šo vārdu lietoja daudzās tādās pašās nozīmēs, kā mūsdienās tiek lietots angļu valodā.

Atšķirīga unvorsum interpretācija (interpretācijas veids) ir "viss pagriezts kā viens" vai "viss pagriezts par vienu". Tas attiecas uz agrīno grieķu Visuma modeli. Šajā modelī visa matērija atradās rotējošās sfērās, kuru centrā bija Zeme; pēc Aristoteļa domām, ārējās sfēras rotācija bija atbildīga par visa tajā esošā kustību un izmaiņām. Grieķiem bija dabiski pieņemt, ka Zeme ir nekustīga un debesis griežas ap Zemi, jo, lai pierādītu pretējo, ir nepieciešami rūpīgi astronomiskie un fizikālie mērījumi (piemēram, Fuko svārsts).

Senās Grieķijas filozofu vidū, sākot ar Pitagoru, visbiežāk lietotais termins "Visums" bija το παν (Viss), ko definēja kā visu matēriju (το ολον) un visu telpu (το κενον).

Plašākā nozīme

Visuma visplašākā vārda nozīme ir atrodama viduslaiku filozofa Johannesa Skota Eriugenas darbā De divisione naturae, kurā tas definēts kā vienkārši viss: viss, kas eksistē, un viss, kas neeksistē.

Laiks Ērjūgena definīcijā nav ņemts vērā, tāpēc viņa definīcija ietver visu, kas eksistē, ir eksistējis un eksistēs, kā arī visu, kas neeksistē, nekad nav eksistējis un nekad neeksistēs. Šo visaptverošo definīciju nepieņēma lielākā daļa vēlāko filozofu, taču kaut kas līdzīgs ir kvantu fizikā.

Definīcija kā realitāte

Par Visumu parasti uzskata visu, kas eksistē, ir eksistējis un eksistēs. Šajā definīcijā teikts, ka Visumu veido divi elementi: telpa un laiks, ko kopā dēvē par kosmosa laiku jeb vakuumu, un matērija, kā arī dažādas enerģijas un impulsa formas, kas aizņem kosmosa laiku. Šie divu veidu elementi uzvedas saskaņā ar fizikas likumiem, kuros aprakstīta elementu mijiedarbība.

Līdzīga definīcija terminam Visums ir viss, kas eksistē vienā laika brīdī, piemēram, tagadnē vai laika sākumā, kā teikumā "Visums bija 0".

Aristoteļa grāmatā "Fizika" Aristotelis iedalīja το παν (viss) trīs aptuveni analoģiskos elementos: matērijā (no kā sastāv Visums), formā (šīs matērijas izvietojums telpā) un pārmaiņās (kā matērija tiek radīta, iznīcināta vai mainās tās īpašības, un līdzīgi - kā mainās forma). Fizikālie likumi bija noteikumi, kas regulēja matērijas, formas un to izmaiņu īpašības. Vēlākie filozofi, piemēram, Lukrēts, Averroess, Avicenna un Baruks Spinoza, mainīja vai precizēja šo iedalījumu. Piemēram, Averroesam un Spinozam Visumu pārvalda aktīvie principi, kas iedarbojas uz pasīvajiem elementiem.

Telpā un laikā definīcijas

Ir iespējams veidot telpas-laikus, no kuriem katrs eksistē, bet nespēj viens otram pieskarties, pārvietoties vai mainīties (mijiedarboties viens ar otru). Viegli to iztēloties kā atsevišķu ziepju burbuļu grupu, kurā cilvēki, kas dzīvo vienā ziepju burbulī, nevar mijiedarboties ar cilvēkiem, kas dzīvo citos ziepju burbuļos. Saskaņā ar vienu izplatītu terminoloģiju katrs "ziepju burbulis" no laika-attāluma tiek apzīmēts kā Visums, savukārt mūsu konkrētais laika-attālums tiek apzīmēts kā Visums, tāpat kā mēs savu Mēnesi saucam par Mēnesi. Visu šo atsevišķo kosmosa laiku kopumu apzīmē kā multiversu. Principā pārējos nesaistītajos visumos var būt atšķirīgi telpisko laiku izmēri un topoloģijas, atšķirīgas matērijas un enerģijas formas, kā arī atšķirīgi fizikālie likumi un fizikālās konstantes, lai gan šādas iespējas ir spekulatīvas.

Novērojamā realitāte

Saskaņā ar vēl stingrāku definīciju Visums ir viss, kas atrodas mūsu savienotajā laika telpā, kam varētu būt iespēja mijiedarboties ar mums un otrādi.

Saskaņā ar vispārējo relativitātes ideju daži kosmosa reģioni var nekad nesaskarties ar mūsējo pat Visuma pastāvēšanas laikā, jo gaismas ātrums ir ierobežots un kosmoss nepārtraukti paplašinās. Piemēram, no Zemes nosūtītie radio ziņojumi var nekad nesasniegt dažus kosmosa reģionus, pat ja Visums pastāvētu mūžīgi; telpa var paplašināties ātrāk, nekā gaisma spēj to šķērsot.

Ir vērts uzsvērt, ka šie attālinātie kosmosa reģioni tiek uzskatīti par realitātes daļu, kas eksistē tikpat lielā mērā kā mēs, tomēr mēs nekad nevaram ar tiem mijiedarboties, pat principā. Telpiskais reģions, kurā mēs varam ietekmēt un tikt ietekmēti, tiek apzīmēts kā novērojamais visums.

Stingri runājot, novērojamais Visums ir atkarīgs no novērotāja atrašanās vietas. Ceļojot novērotājs var nonākt saskarē ar lielāku laika-attāluma apgabalu nekā novērotājs, kas paliek nekustīgs, tāpēc novērojamais visums pirmajam ir lielāks nekā otrajam. Tomēr pat visātrākais ceļotājs var nebūt spējīgs mijiedarboties ar visu telpu. Parasti ar "novērojamo Visumu" saprot Visumu, kas redzams no mūsu novērošanas punkta Piena Ceļa galaktikā.

Visums ir milzīgs un, iespējams, bezgalīgs. Redzamā matērija ir izkliedēta vismaz 93 miljardus gaismas gadu lielā telpā. Salīdzinājumam - tipiskas galaktikas diametrs ir tikai 30 000 gaismas gadu, un tipisks attālums starp divām blakus esošām galaktikām ir tikai 3 miljoni gaismas gadu. Piemēram, mūsu Piena Ceļa galaktikas diametrs ir aptuveni 100 000 gaismas gadu, un mūsu tuvākā māsas galaktika - Andromēdas galaktika - atrodas aptuveni 2,5 miljonu gaismas gadu attālumā. Novērojamajā Visumā ir vairāk nekā 2 triljoni (10¹² ) galaktiku un kopumā aptuveni 1×10²⁴ zvaigžņu (vairāk zvaigžņu nekā visi smilšu graudiņi uz planētas Zeme).

Tipiskas galaktikas ir dažādas - no pundurgalaktikām ar tikai desmit miljoniem (10⁷ ) līdz pat milznām ar vienu triljonu (10¹² ) zvaigžņu, kas riņķo ap galaktikas masas centru. Tātad, ļoti aptuvens aprēķins, balstoties uz šiem skaitļiem, liecina, ka novērojamajā Visumā ir aptuveni viens sestiljons (10²¹ ) zvaigžņu; lai gan Austrālijas Nacionālās universitātes astronomu 2003. gada pētījumā tika iegūts skaitlis 70 sestiljonu (7 x 10²² ).

Redzamā matērija ir izkliedēta visā Visumā, ja to vidēji aprēķina attālumā, kas lielāks par 300 miljoniem gaismas gadu. Tomēr mazākos garuma mērogos novērots, ka matērija veido "kupenas", daudzi atomi kondensējas zvaigznēs, lielākā daļa zvaigžņu - galaktikās, lielākā daļa galaktiku - galaktiku grupās un kopās, un visbeidzot - vislielākā mēroga struktūras, piemēram, Lielā galaktiku siena.

Pašreizējais Visuma kopējais blīvums ir ļoti zems - aptuveni 9,9 × 10⁻³⁰ gramu uz kubikcentimetru. Šķiet, ka šo masu-enerģiju veido 73 % tumšās enerģijas, 23 % aukstās tumšās matērijas un 4 % parastās matērijas. Atomu blīvums ir aptuveni viens ūdeņraža atoms uz katriem četriem kubikmetriem tilpuma. Tumšās enerģijas un tumšās matērijas īpašības nav zināmas. Tumšā matērija palēnina Visuma izplešanos. Tumšā enerģija paātrina tās izplešanos.

Visums ir vecs un mainās. Visuma vecums ir 13,798±0,037 miljardi gadu, pamatojoties uz to, kas tika novērots kosmiskajā mikroviļņu fona starojumā. Neatkarīgi aplēses (pamatojoties uz mērījumiem, piemēram, radioaktīvo datēšanu) ir vienotas, lai gan tās nav tik precīzas un svārstās no 11-20 miljardiem gadu līdz 13-15 miljardiem gadu.

Visums nav bijis vienāds visos tā vēstures posmos. Tas, ka Visums kļūst arvien lielāks, izskaidro to, kā cilvēki, kas dzīvo uz Zemes, var redzēt gaismu no galaktikas, kas atrodas 30 miljardus gaismas gadu attālumā, pat ja šī gaisma ir ceļojusi tikai 13 miljardus gadu; telpa starp tām ir paplašinājusies. Šī izplešanās atbilst novērojumam, ka gaisma no tālām galaktikām ir novirzīta uz sarkano pusi; izstarotie fotoni ceļojuma laikā ir izstiepušies uz garākiem viļņiem un zemāku frekvenci. Pamatojoties uz Ia tipa supernovu pētījumiem un citiem datiem, var secināt, ka šī telpiskā izplešanās paātrinās.

Dažādu ķīmisko elementu - īpaši vieglāko atomu, piemēram, ūdeņraža, deitērija un hēlija - relatīvais daudzums visā Visumā un visā mums zināmajā Visuma vēsturē šķiet vienāds. Šķiet, ka Visumā ir daudz vairāk matērijas nekā antimatērijas. Šķiet, ka Visumā nav neto elektriskā lādiņa. Kosmoloģiskos attālumos dominējošā mijiedarbība ir gravitācija. Šķiet, ka Visumā nav arī neto impulsa vai leņķiskā momenta. Neto lādiņa un impulsa neesamība ir sagaidāma, ja Visums ir galīgs.

Šķiet, ka Visumam ir vienmērīgs laika-attāluma kontinuums, ko veido trīs telpiskās dimensijas un viena laika (laika) dimensija. Vidēji telpa ir gandrīz plakana (ar gandrīz nulles izliekumu), kas nozīmē, ka Eiklīda ģeometrija eksperimentāli ar augstu precizitāti ir patiesa lielākajā daļā Visuma. Tomēr Visumā var būt vairāk dimensiju, un tā telpiskā laika globālajai topoloģijai var būt daudzkārt saistīta.

Visumā ir vieni un tie paši fizikālie likumi un fizikālās konstantes. Saskaņā ar dominējošo fizikas standarta modeli visa matērija sastāv no trīs paaudžu leptoniem un kvarkiem, kas abi ir fermioni. Šīs elementārdaļiņas mijiedarbojas, izmantojot ne vairāk kā trīs fundamentālās mijiedarbības: elektrovājības mijiedarbību, kas ietver elektromagnētismu un vāju kodolspēku; spēcīgo kodolspēku, ko apraksta kvantu hromodinamika; un gravitāciju, ko pašlaik vislabāk raksturo vispārīgā relativitāte.

Speciālā relativitāte ir spēkā visā Visumā lokālā telpā un laikā. Pretējā gadījumā ir spēkā vispārīgā relativitāte. Nav izskaidrojuma konkrētām vērtībām, kas fizikālajām konstantēm, šķiet, ir visā Visumā, piemēram, Planka konstantes h vai gravitācijas konstantes G. Ir noteikti vairāki saglabāšanas likumi, piemēram, lādiņa saglabāšanas likums, impulsa saglabāšanas likums, leņķiskā momenta saglabāšanas likums un enerģijas saglabāšanas likums.

Vispārējā relativitātes teorija

Lai precīzi prognozētu Visuma pagātni un nākotni, ir nepieciešama precīza gravitācijas teorija. Labākā pieejamā teorija ir Alberta Einšteina vispārējā relativitātes teorija, kas līdz šim ir izturējusi visas eksperimentālās pārbaudes. Tomēr, tā kā nav veikti stingri eksperimenti kosmoloģiskā garuma mērogos, vispārējā relativitātes teorija varētu būt neprecīza. Tomēr šķiet, ka tās prognozes atbilst novērojumiem, tāpēc nav iemesla pieņemt citu teoriju.

Vispārējā relativitāte paredz desmit nelineāru parciālo diferenciālvienādojumu kopumu, kas attiecas uz telpiskā laika metriku (Einšteina lauka vienādojumi) un kas jāatrisina, ņemot vērā masas, enerģijas un impulsa sadalījumu Visumā. Tā kā tie nav precīzi zināmi, kosmoloģiskie modeļi ir balstīti uz kosmoloģisko principu, kas nosaka, ka Visums ir viendabīgs un izotrops. Faktiski šis princips apgalvo, ka dažādu Visumu veidojošo galaktiku gravitācijas ietekme ir līdzvērtīga smalku putekļu ietekmei, kas vienmērīgi sadalīti visā Visumā ar vienādu vidējo blīvumu. Pieņēmums par viendabīgu putekli ļauj viegli atrisināt Einšteina lauka vienādojumus un paredzēt Visuma pagātni un nākotni kosmoloģiskā laika mērogā.

Einšteina lauka vienādojumos ir iekļauta kosmoloģiskā konstante (Lamda: Λ), kas ir saistīta ar tukšās telpas enerģijas blīvumu. Atkarībā no tās zīmes kosmoloģiskā konstante var vai nu palēnināt (negatīvs Λ), vai paātrināt (pozitīvs Λ) Visuma izplešanos. Lai gan daudzi zinātnieki, tostarp Einšteins, bija izteikuši pieņēmumu, ka Λ ir nulle, nesenie Ia tipa supernovu astronomiskie novērojumi ir atklājuši lielu daudzumu tumšās enerģijas, kas paātrina Visuma izplešanos. Sākotnējie pētījumi liecina, ka šī tumšā enerģija ir saistīta ar pozitīvu Λ, lai gan pagaidām nevar izslēgt alternatīvas teorijas.

Lielā sprādziena modelis

Dominējošais Lielā sprādziena modelis izskaidro daudzus iepriekš aprakstītos eksperimentālos novērojumus, piemēram, galaktiku attāluma un sarkanā novirziena korelāciju, universālo ūdeņraža un hēlija atomu attiecību un visur klātesošo, izotropo mikroviļņu starojuma fonu. Kā minēts iepriekš, sarkanais nobīde rodas no telpas metriskās izplešanās; paplašinoties pašai telpai, palielinās arī caur telpu ceļojoša fotona viļņa garums, tādējādi samazinot tā enerģiju. Jo ilgāk fotons ir ceļojis, jo lielāku izplešanos tas ir piedzīvojis; tāpēc vecāki fotoni no attālākām galaktikām ir ar vislielāko sarkano nobīdi. Attāluma un sarkanā novirzes korelācijas noteikšana ir svarīga eksperimentālās fizikālās kosmoloģijas problēma.

Citus eksperimentālos novērojumus var izskaidrot, apvienojot vispārējo telpas izplešanos ar kodolfiziku un atomfiziku. Visumam paplašinoties, elektromagnētiskā starojuma enerģijas blīvums samazinās straujāk nekā vielas enerģijas blīvums, jo fotona enerģija samazinās līdz ar tā viļņa garumu. Tādējādi, lai gan tagad Visuma enerģijas blīvumā dominē matērija, kādreiz tajā dominēja starojums; poētiski izsakoties, viss bija gaisma. Visumam paplašinoties, tā enerģijas blīvums samazinājās, un tas kļuva vēsāks; līdz ar to elementārās matērijas daļiņas varēja stabili apvienoties arvien lielākās kombinācijās. Tādējādi matērijas valdīšanas ēras sākumā izveidojās stabili protoni un neitroni, kas pēc tam apvienojās atomu kodolos. Šajā posmā matērija Visumā galvenokārt bija karsta, blīva negatīvu elektronu, neitrālu neitrīno un pozitīvu kodolu plazma. Kodolreakcijas starp kodoliem radīja pašreizējo vieglo kodolu, īpaši ūdeņraža, deitērija un hēlija, daudzumu. Galu galā elektroni un kodoli apvienojās, veidojot stabilus atomus, kas ir caurspīdīgi lielākajai daļai starojuma viļņu garumu; šajā brīdī starojums atdalījās no matērijas, veidojot mūsdienās novērojamo visur klātesošo, izotropo mikroviļņu starojuma fonu.

Uz citiem novērojumiem nav skaidras atbildes, ko sniedz zināmā fizika. Saskaņā ar dominējošo teoriju neliels matērijas un antimatērijas līdzsvara trūkums bija jau Visuma radīšanas laikā vai arī tas izveidojās ļoti drīz pēc tam. Lai gan matērija un antimatērija lielākoties savstarpēji anihilēja, radot fotonus, neliels matērijas atlikums izdzīvoja, tādējādi radot pašreizējo Visumu, kurā dominē matērija.

Vairāki pierādījumi liecina arī par to, ka strauja kosmiskā inflācija Visumā notikusi ļoti agrīnā tā pastāvēšanas posmā (aptuveni 10⁻³⁵ sekunžu pēc tā radīšanas). Nesenie novērojumi arī liecina, ka kosmoloģiskā konstante (Λ) nav vienāda ar nulli un ka Visuma neto masas-enerģijas sastāvā dominē tumšā enerģija un tumšā matērija, kas nav zinātniski raksturota. Tās atšķiras ar savu gravitācijas ietekmi. Tumšā matērija gravitē tāpat kā parastā matērija un tādējādi palēnina Visuma izplešanos; savukārt tumšā enerģija paātrina Visuma izplešanos.

Daži cilvēki domā, ka ir vairāk nekā viens Visums. Viņi domā, ka pastāv visumu kopums, ko sauc par multiversu. Pēc definīcijas nav iespējams, ka kaut kas vienā Visumā varētu ietekmēt kaut ko citā Visumā. Multiverss vēl nav zinātniska ideja, jo nav iespējams to pārbaudīt. Ideja, ko nevar pārbaudīt vai kas nav balstīta uz loģiku, nav zinātniska. Tātad nav zināms, vai multiverss ir zinātniska ideja.

Visuma nākotne ir noslēpums. Tomēr ir vairākas teorijas, kas balstās uz iespējamām Visuma formām:

• Ja Visums ir slēgta sfēra, tas pārstās paplašināties. Visums rīkosies pretēji un kļūs par singularitāti, kas būs vēl viens Lielais sprādziens.
• Ja Visums ir atvērta sfēra, tas paātrinās izplešanos. Pēc 22 000 000 000 000 (22 miljardiem) gadu Visums saplēsīsies ar spēku.
• Ja Visums ir plakans, tas paplašināsies mūžīgi. Visas zvaigznes zaudēs savu enerģiju un kļūs par pundurzvaigznēm. Pēc kāda gūgolu gada arī melnie caurumi izzudīs.