Вселената

  Вселената е понятие, което обикновено означава целия пространствено-времеви континиум, в който съществуваме, заедно с всички форми на енергия и материя в него – планети, звезди, галактики и междугалактическо пространство. Вселената може да се употребява като синоним на космос, свят или дори природа.

  Изучаването на Вселената е предмет на философията, както и науката космология, произлязла от физиката и астрономията, която се занимава с произхода, строежа и еволюцията на Вселената. На всеки етап от развитието на човечеството е известна само ограничена част от Вселената. С усъвършенстване на технологиите и методите за нейното изучаване наблюдаваният обем става все по-голям. Метагалактика се нарича тази част, която е достъпна за наблюдения в настоящето или в непосредственото бъдеще. Думата вселена (на английски: universe) идва от старофренски univers, производна на латинската universum, която в превод означава „всичко се върти като едно“ или „всичко се съедини в едно“. На български език думата вселена идва от старобългарски (въсєлѥнаѩ), с произход от старогръцки ойкумен (на старогръцки: οἰκουμένη, с основа οἰκέω) и означава „населявам, обитавам“.

 

  Развитието на Вселената се оповава на теорията на Големия взрив (The Big Bang Theory). Тя описва ранното развитие на Вселената. Разширяването ѝ,  което следва от уравненията на общата теория на относителността на Алберт Айнщайн, бива потвърдено с наблюденията за раздалечаване на галактиките, извършени от Едуин Хъбъл. Вселената е била много малка и дори била събрана в точка, наречена „сингулярност“. 

  Теоремата на Хокинг-Пенроуз показва, че от уравненията на общата относителност следва, че такава точка, даваща начало на пространството и времето, трябва да е съществувала. Естествено следствие от това е, че в миналото Вселената е имала по-висока температура и по-висока плътност. Терминът „Големият взрив“ се използва както в тесен смисъл за момента, в който започва разширението на Вселената (закон на Хъбъл), така и по-общо за преобладаващата днес космологична концепция, обясняваща произхода и еволюцията на Вселената.

 

  Общата теория на относителността (ОТО) е геометрична теория за гравитацията, публикувана от Алберт Айнщайн през 1915 година. Тя е общоприетият в съвременната физика възглед за характера на гравитацията. Теорията обединява специалната теория на относителността с нютоновия закон за всеобщото привличане и описва гравитацията като геометрично свойство на пространство-времето. В частност, изкривяването на пространство-времето е пряко свързано с тензора енергия-импулс, който зависи от количествата материя и енергия. Тази зависимост е изразена чрез уравненията на Айнщайн – система от частни диференциални уравнения.

  Много предвиждания на общата теория на относителността се различават значително от тези на класическата физика, особено във връзка с хода на времето, геометрията на пространството, движението на телата при свободно падане и разпространението на светлината. Примери за такива разлики са гравитационното забавяне на времето, гравитационното червено отместване на светлината и ефектът на Шапиро. Предвижданията на общата теория на относителността се потвърждават от всички наблюдения и експерименти досега. Макар че не е единствената теория за гравитацията, тя е най-простата, която съответства напълно на експерименталните данни. Въпреки това общата теория на относителността има и някои непълноти, най-важната от които е нейното съгласуване с квантовата механика, което би създало пълна и последователна теория на квантовата гравитация.

  Общата теория на относителността има важни последствия за астрофизиката. Тя подсказва, че в края на развитието си масивните звезди могат да се превърнат в черни дупки, области от пространството, в които пространство-времето е толкова изкривено, че нищо не може да ги напусне. Изкривяването на светлината от гравитацията може да създаде гравитационни лещи, при които се наблюдава повече от един образ на един и същ астрономически обект. Теорията предсказва и наличието на гравитационни вълни, които впоследствие са измерени непряко, а опитите за прякото им наблюдение са основната цел на проекта LIGO. В допълнение към това – общата теория на относителността е основата на съвременните космологични модели на постоянно разширяващата се Вселена.

 

 

 

  Законът на Хъбъл е емпирично установена пропорционална връзка между скоростта на отдалечаване на галактиките и разстоянието им до нас. Той е формулиран през 1929 г. от Едуин Хъбъл, който установил червено отместване в спектрите на наблюдаемите галактики. Според него това червено отместване е Доплеров ефект и той прави извода, че всички галактики се отдалечават. Или с други думи, галактиките, които са най-отдалечени, се отдалечават най-бързо и поради това отдалечаване изглеждат червени. Тоест, колкото повече се отдалечава една галактика, толкова по-червена изглежда тя. Това разбиране се счита за факт и той е ключов в теорията на Големия взрив.

 

  Законът на Хъбъл се изразява с формулата:

, 

където v е радиалната скорост (в km/s, измерена чрез червеното отместване), d е разстоянието до галактиката (в Mpc), а H₀ е константата на Хъбъл (в km/s/Mpc). Константата на Хъбъл, получена от измерване през 2003 г. с помощта на спътника WMAP, има стойност 71±4 km/s/Mpc. По-нови наблюдения систематично водят към занижаване на това число.

  Реципрочната стойност на константата на Хъбъл задава началния момент, в който започва радиалното разбягване на галактиките и в рамките на теорията се приема за възрастта на наблюдаемата Вселена.

  Специалната теория на относителността поставя скоростта на светлината с за горна граница на физическите скорости, а изчислените по закона на Хъбъл стойности при d > 4.2Gpc (гигапарсека) надхвърлят това число, но в случая противоречие няма. Обяснението е, че те са резултат от разширяване на самото пространство, а не движение. Разстоянието

се нарича хоризонт на Хъбъл и фактически задава граница, отвъд която разбягващите се галактики стават ненаблюдаеми.

 

 

  Много хора биха помислили, че нещо е „избухнало“ и така са се появили звездите, планетите, галактиките и изобщо цялата Вселена, но това не е така. Големият взрив не е експлозия. Представлявал е разтегляне на пространството едновременно във всички посоки. Вселената е била изключително малка, като една точица („сингулярността“) в нищото, но бързо е достигнала размерите на футболна топка. Не се е намирала никъде. Пространството се е разширявало само по себе си. Не съществува понятие „извън Вселената“, защото Вселената няма граници. Тя е всичко, което съществува.

  В горещата и плътна среда енергията се е превръщала в малки частици, които са съществували за съвсем кратко време. От „глуони“ са се създавали чифтове „кварки“, които са се унищожавали взаимно, може би отдавайки още глуони, а те са си взаимодействали с други краткотрайни кварки, образувайки нови чифтове кварки и нови глуони. Материята и енергията са били равнозначни не само на теория. Било е толкова горещо, че на практика са представлявали едно и също. Някъде по това време материята е взела превес над антиматерията. Днес живеем в свят, изграден от материя и почти никаква антиматерия. По някакъв начин за всеки един милиард частици антиматерия са се формирали един милиард и една частици материя. Вместо една единствена фундаментална физична сила, във Вселената е имало няколко нейни версии, действащи според различни правила. До този момент Вселената се е „разтегнала“ до един милиард километра в диаметър, което е довело до спад в температурата. Цикълът от превръщане на кварки в енергия и обратно престава. От тук кварките започват да формират нови частици – „хадрони“ като протоните и неутроните. Има много комбинации от кварки, които могат да образуват какви ли не хадрони, но много малко от тях са стабилни и могат да съществуват (Обърнете внимание на факта, че дотук е изминала само една секунда от самото начало). Вселената, чиито размери са вече около 100 млрд. км. , е достатъчно студена, за да позволи на неутроните да се разпаднат в протони и да формират първия водороден атом. Представете си Вселената в този момент като супа, гореща милиарди градуса по Целзий, пълна с безброй частици и енергия. През следващите няколко минути се е охладила и нещата са се поуспокоили. Атомите са се формирали от хадрони и електрони и са създали електронеутрална среда. Някои наричат този период „Тъмните векове“, защото е нямало звезди, а водородният газ не е позволявал на видимата светлина да се разпространява. Но какво значение има тази светлина, щом е нямало нищо живо, което да я види. Когато след милиони години водородните газове са се събрали при високо налягане, под действието на гравитацията е започнало образуването на звезди и галактики. Тяхната радиация е разградила стабилния водороден газ до плазма, която и днес е разпространена във Вселената и позволява движението на светлината.

  А какво се е случило в самото начало, преди процесите на образуване на звезди, планети и галактики? Това не знаем. Тук вече понятието ни за физични закони губи смисъл. За да разберем, ни трябва теория, обединяваща теорията на относителноста и  квантовата механика. Това нещо оставя много въпроси без отговор: имало ли е други вселени преди нашата, това ли е първата и единствена Вселена, какво е причинило Големия взрив или е причинен от някакви физични закони, които още не разбираме? Теорията на Големия остскок  (The Big Bounce Тheory) показва, че може да е имало други вселени преди нашата и всяка от тях да е „отскачала“, създавайки нови. Всички тези неща може и никога да не разберем, защото те може би се обединяват и сформират най-голямата тайна, на която не сме намерили отговор.

  Звездата е небесно тяло, представляващо голямо кълбо газ (плазма в хидростатично равновесие), произвеждащо енергия чрез термоядрен синтез, основно превръщане на водород в хелий. Тази енергия се разпространява в пространството под формата на електромагнитно излъчване. Звездите в нощното небе блещукат (трептят) поради многобройните отражения и пречупвания на светлината при преминаването ѝ през земната атмосфера.

  Според астрономите познатата Вселена съдържа поне 70 секстилиона (7 x 10²²) звезди. Най-близката до Земята звезда е Слънцето. Светлината от него достига до нас за 8 минути. Ако изключим Слънцето, най-близката звезда е Проксима Kентавър, която е отдалечена на 40 трилиона километра. Нейната светлина стига до Земята за 4,3 години.

 

   Много звезди са гравитационно свързани с други звезди, оформяйки кратна звезда (двойни звезди или звезди с повече компоненти). Съществуват също и по-големи групи (с повече и по-раздалечени компоненти), наречени звездни купове. Звездите не са разпределени равномерно във Вселената, а са групирани в галактики. Една типична галактика съдържа стотици милиарди звезди. Звездите от нашата галактика (Млечният път) са разположени във всички посоки спрямо наблюдател от Земята. Те се групират в области от небесната сфера, наречени съзвездия.

 

 

  Преди август 2006 г. няколко обекта бяха класифицирани като планети. След 2006 обаче някои от тези обекти бяха прекласифицирани като планети джуджета, обекти, различни от планетите. Към 2008 г. в Слънчевата система три обекта влизат в категорията на планети джуджета: Церера, Плутон и Ерида. В момента се обсъждат още обекти от Астероидния пояс и от пояса на Кайпер, които евентуално могат да бъдат класифицирани като такива. Още около 200 могат да бъдат открити след като поясът на Кайпер бъде изследван напълно. Планетите джуджета имат много от характеристиките на планетите, но има и много разлики, като най-важната е, че те не са доминиращи в орбитите си.

По дефиниция всички планети джуджета са членове на по-големи популации. Церера е най-голямото тяло в Астероидния пояс, Плутон се намира в пояса на Кайпер, а Ерида в Разредения диск. Учени като Майкъл Браун смятат, че скоро може да има над 40 транснептунови обекта, които да се класифицират като планети джуджета.

 

 

 

  Тъмната енергия ( The Dark Energy) е вид енергия, която за първи път е наблюдавана като явление в свръхнови звезди. Идеята за нея възниква през 1998 г., когато астрономи откриват, че наблюдаваните свръхнови са по-тъмни от очакваното, т.е. по-отдалечени. Изследванията върху тях разкриват, че Вселената претърпява нелинейно ускорение на разширение по закона на Хъбъл. Тя създава особен вид всеобщо „антипривличане“, в резултат на което се появява ускореното разширение. Това е енергия, получавана от вакуума, която е свързана с космологичната константа от уравненията на Алберт Айнщайн. Наричат я тъмна по две причини. Първо, тя е невидима, т.е. не излъчва светлина, не поглъща и не отразява светлината. Второ, нейната физична природа и микроскопична структура засега са напълно неизвестни.

 

 

   Обикновената материя и тъмната материя съставляват само 27% от критичната плътност – онова, което е необходимо, за да съществува Вселената. Останалите 73% учените наричат тъмна енергия. Общата теория на относителността изисква допълнителните 73% да бъдат съставени от енергиен компонент с голямо отрицателно налягане. Природата на тази тъмна енергия остава една от най-големите загадки засега. Сред възможните решения на тази загадка са космологичната константа и квинтесенцията. Космологичната константа, въведена от Айнщайн, представлява начин да се въведе антигравитация и притежава интересното свойство ефектите ѝ да нарастват с увеличаване на разстоянията.

 

  Или с други думи, тъмната енергия ускорява разширяването на Вселената.