Universum: mis see on, koostis ja kosmoloogia põhitõed

Sõna Universum pärineb vanafransiakeelsest sõnast Univers, mis tuleneb ladinakeelsest sõnast universum. Ladinakeelset sõna kasutasid Cicero ja hilisemad ladina autorid paljudes samades tähendustes, milles kasutatakse tänapäeva inglise sõna.

Unvorsumi teistsugune tõlgendus (tõlgendusviis) on "kõik pööratud nagu üks" või "kõik pööratud ühe võrra". See viitab varakreeka universumi mudelile. Selles mudelis oli kogu aine pöörlevates sfäärides, mille keskmes oli Maa; Aristotelese järgi oli kõige välimise sfääri pöörlemine vastutav kõige sees oleva liikumise ja muutumise eest. Kreeklastele oli loomulik eeldada, et Maa on paigal ja taevas pöörleb ümber Maa, sest vastupidise tõestamiseks on vaja hoolikaid astronoomilisi ja füüsikalisi mõõtmisi (näiteks Foucault' pendel).

Vana-Kreeka filosoofide kõige levinum termin "Universum" alates Pythagorasest oli das παν (Kõik), mida defineeriti kui kogu ainet (το ολον) ja kogu ruumi (το κενον).

Kõige laiem tähendus

Universumi kõige laiem sõnaline tähendus leidub keskaegse filosoofi Johannes Scotus Eriugena teoses De divisione naturae, kus ta defineeris seda lihtsalt kui kõike: kõike, mis on olemas, ja kõike, mis ei ole olemas.

Eriugena definitsioonis ei ole aega arvesse võetud; seega hõlmab tema definitsioon kõike, mis on olemas, on olnud ja saab olema, samuti kõike, mida ei ole, ei ole kunagi olnud ja ei saa kunagi olema. Seda kõikehõlmavat definitsiooni ei võtnud enamik hilisemaid filosoofe üle, kuid midagi sarnast on kvantfüüsikas.

Määratlus kui reaalsus

Tavaliselt arvatakse, et Universum on kõik, mis on olemas, on olnud ja saab olema. Selle määratluse kohaselt koosneb Universum kahest elemendist: ruum ja aeg, mida koos tuntakse kui ruumi-aega või vaakumit, ning aine ja erinevad energia- ja impulssvormid, mis hõivavad ruumi-aega. Need kahte liiki elemendid käituvad vastavalt füüsikalistele seadustele, milles kirjeldatakse, kuidas elemendid omavahel suhtlevad.

Sarnane mõiste Universum on kõik, mis eksisteerib ühel ajahetkel, näiteks praegu või aja alguses, nagu näiteks lauses "Universum oli suurusega 0".

Aristotelese raamatus "Füüsika" jagas Aristoteles το παν (kõik) kolmeks ligikaudu analoogiliseks elemendiks: aine (aine, millest Universum koosneb), vorm (selle aine paigutus ruumis) ja muutus (kuidas aine tekib, hävib või muutub oma omadustelt, ja samamoodi, kuidas muutub vorm). Füüsikaseadused olid reeglid, mis reguleerisid aine, vormi ja nende muutuste omadusi. Hilisemad filosoofid nagu Lucretius, Averroes, Avicenna ja Baruch Spinoza muutsid või täpsustasid neid jaotusi. Näiteks Averroesil ja Spinozal on universumit valitsevad aktiivsed printsiibid, mis mõjuvad passiivsetele elementidele.

Ruumi-aja määratlused

Võimalik on moodustada ruumiaegasid, millest igaüks on küll olemas, kuid ei saa üksteist puudutada, liigutada ega muuta (üksteisega suhelda). Lihtne on sellest mõelda kui eraldi seebimullide grupist, kus ühes seebimullis elavad inimesed ei saa suhelda teistes seebimullides elavate inimestega. Ühe levinud terminoloogia kohaselt nimetatakse iga ruumi-aja "seebimulli" universumiks, samas kui meie konkreetset ruumi-aega nimetatakse universumiks, nii nagu me nimetame oma kuud Kuuks. Kogu nende eraldi ruumiaegade kogumit nimetatakse multiversumiks. Põhimõtteliselt võivad teistel ühendamata universumitel olla erinevad ruumi-aja mõõtmed ja topoloogiad, erinevad aine- ja energialiigid ning erinevad füüsikalised seadused ja füüsikalised konstandid, kuigi sellised võimalused on spekulatsioonid.

Jälgitav reaalsus

Veelgi kitsama määratluse kohaselt on Universum kõik, mis asub meie ühendatud ruumi-ajas ja millel võib olla võimalus meiega suhelda ja vastupidi.

Vastavalt relatiivsusteooria üldisele ideele ei pruugi mõned ruumi piirkonnad isegi universumi eluea jooksul meie omadega kunagi suhelda, sest valguse kiirus on piiratud ja ruum laieneb pidevalt. Näiteks Maalt saadetud raadiosõnumid ei pruugi kunagi jõuda mõnda ruumi piirkonda, isegi kui Universum eksisteeriks igavesti; ruum võib laieneda kiiremini, kui valgus suudab seda läbida.

Tasub rõhutada, et need kauged ruumilised piirkonnad on olemas ja moodustavad osa tegelikkusest sama palju kui meie, kuid me ei saa nendega kunagi suhelda, isegi mitte põhimõtteliselt. Ruumilist piirkonda, mille piires me saame mõjutada ja olla mõjutatud, nimetatakse vaadeldavaks universumiks.

Rangelt võttes sõltub vaadeldav universum vaatleja asukohast. Reisides võib vaatleja puutuda kokku suurema ruumilis-ajalise piirkonnaga kui vaatleja, kes jääb paigale, nii et vaatleja jaoks on vaadeldav universum suurem kui vaatleja jaoks. Sellest hoolimata ei pruugi isegi kõige kiirem rändaja olla võimeline suhtlema kogu ruumiga. Tavaliselt tähendab "vaadeldav universum" meie vaatluspunktist Linnutee galaktikas vaadeldavat universumit.

Universum on tohutu suur ja võib-olla lõpmatu mahuga. Nähtav aine on levinud vähemalt 93 miljardi valgusaasta ulatuses. Võrdluseks: tavalise galaktika läbimõõt on vaid 30 000 valgusaastat ja kahe naabergalaktika vaheline kaugus on vaid 3 miljonit valgusaastat. Näiteks meie Linnutee galaktika läbimõõt on ligikaudu 100 000 valgusaastat ja meie lähim sõsargalaktika, Andromeda galaktika, asub ligikaudu 2,5 miljoni valgusaasta kaugusel. Jälgitav universum sisaldab rohkem kui 2 triljonit (10¹² ) galaktikat ja kokku hinnanguliselt 1×10²⁴ tähte (rohkem tähti kui kõik liivaterad planeedil Maa).

Tüüpilised galaktikad ulatuvad kääbusgalaktikatest, kus on vaid kümme miljonit (10⁷ ) tähte, kuni hiiglasteni, kus on üks triljon (10¹² ) tähte, mis kõik tiirlevad ümber galaktika massikeskme. Seega võib nende arvude põhjal väga ligikaudselt hinnata, et vaadeldavas universumis on umbes üks kuueksajandik (10²¹ ) tähti; kuigi Austraalia Riikliku Ülikooli astronoomide 2003. aasta uuringu tulemuseks oli 70 kuueksajandikku (7 x 10 ). ²²

Nähtav mateeria on üle 300 miljoni valgusaasta pikkuste vahemaade keskmisena üle kogu universumi laiali. Väiksematel pikkusskaaladel on aga täheldatud, et aine moodustab "klumpasid", paljud aatomid on koondunud tähtedeks, enamik tähti galaktikateks, enamik galaktikaid galaktikagruppideks ja -klumpideks ning lõpuks ka kõige suuremaid struktuure, nagu näiteks galaktikate Suurt Müüri.

Universumi praegune üldine tihedus on väga väike, umbes 9,9 × 10⁻³⁰ grammi kuupsentimeetri kohta. See mass-energia näib koosnevat 73% ulatuses tumedast energiast, 23% ulatuses külmast tumedast ainest ja 4% ulatuses tavalisest ainest. Aatomite tihedus on umbes üks vesiniku aatom iga nelja kuupmeetri kohta. Tumeenergia ja tumeaine omadused ei ole teada. Tumeaine aeglustab Universumi paisumist. Tume energia muudab selle paisumise kiiremaks.

Universum on vana ja muutub. Universumi vanus on kõige paremini hinnatud 13,798 ± 0,037 miljardit aastat, mis põhineb kosmilise mikrolaine taustakiirguse kohta tehtud tähelepanekutel. Sõltumatud hinnangud (mis põhinevad mõõtmistel, nagu näiteks radioaktiivne dateerimine) nõustuvad, kuigi need on vähem täpsed, ulatudes 11-20 miljardist aastast. kuni 13-15 miljardi aastani.

Universum ei ole oma ajaloo jooksul alati olnud ühesugune. See suurenemine seletab, miks Maaga seotud inimesed näevad valgust 30 miljardi valgusaasta kaugusel asuvast galaktikast, isegi kui see valgus on liikunud vaid 13 miljardit aastat; nende vaheline ruum on laienenud. See laienemine on kooskõlas tähelepanekuga, et kaugete galaktikate valgus on punase nihkega; kiiratud footonid on oma teekonna jooksul veninud pikema lainepikkuse ja madalama sagedusega. Ia-tüüpi supernoovade ja muude andmete põhjal on see ruumiline laienemine kiirenenud.

Erinevate keemiliste elementide - eriti kõige kergemate aatomite, nagu vesinik, deuteerium ja heelium - suhtelised kogused näivad olevat identsed kogu universumis ja kogu selle ajaloos, mida me teame. Universumis näib olevat palju rohkem ainet kui antiainet. Universumil ei näi olevat elektrilist netolaengut. Gravitatsioon on kosmoloogilistel kaugustel domineeriv vastastikmõju. Universumil ei näi olevat ka mingit netomomenti või nurkkiirust. Netolaengu ja -impulsi puudumine on ootuspärane, kui universum on piiratud.

Universum näib olevat sujuv ruumilis-ajaline kontiinum, mis koosneb kolmest ruumilisest ja ühest ajalisest (aja) mõõtmest. Keskmiselt on ruum väga peaaegu lame (kõveruse nullilähedane), mis tähendab, et eukleidiline geomeetria on eksperimentaalselt suure täpsusega tõene enamikus Universumis. Universumil võib siiski olla rohkem mõõtmeid ja selle ruumiaeg võib omada mitmekordselt seotud globaalset topoloogiat.

Universumis kehtivad kõikjal samad füüsikalised seadused ja füüsikalised konstandid. Kehtiva füüsika standardmudeli kohaselt koosneb kogu aine kolme põlvkonna leptonitest ja kvarkidest, mis mõlemad on fermionid. Need elementaarosakesed suhtlevad maksimaalselt kolme fundamentaalse vastastikmõju kaudu: elektromagnetismi ja nõrka tuumajõudu hõlmava nõrga elektromõju, kvantkromodünaamika poolt kirjeldatud tugeva tuumajõu ning gravitatsiooni, mida praegu kirjeldab kõige paremini üldine relatiivsusteooria.

Eriline relatiivsusteooria kehtib kogu universumis kohalikus ruumis ja ajas. Vastasel juhul kehtib üldine relatiivsusteooria. Ei ole seletusi, miks füüsikalised konstandid, näiteks Plancki konstant h või gravitatsioonikonstant G, näivad olevat kogu meie universumis erilisi väärtusi. On kindlaks tehtud mitu säilitusseadust, näiteks laengu säilimine, impulsi säilimine, nurkkiiruse säilimine ja energia säilimine.

Üldine relatiivsusteooria

Universumi mineviku ja tuleviku täpsed ennustused eeldavad täpset gravitatsiooniteooriat. Parim olemasolev teooria on Albert Einsteini üldine relatiivsusteooria, mis on seni läbinud kõik eksperimentaalsed katsed. Kuna aga kosmoloogilistel pikkusskaaladel ei ole rangeid katseid tehtud, võib üldine relatiivsusteooria olla ebatäpne. Sellegipoolest tunduvad selle ennustused olevat kooskõlas vaatlustega, nii et ei ole põhjust võtta kasutusele mõnda muud teooriat.

Üldine relatiivsusteooria näeb ette kümme mittelineaarset osalist diferentsiaalvõrrandit (Einsteini vältevõrrandid), mis tuleb lahendada massi-energia ja impulsi jaotuse põhjal kogu universumis. Kuna need ei ole täpselt teada, on kosmoloogilised mudelid põhinenud kosmoloogilisel põhimõttel, mille kohaselt universum on homogeenne ja isotroopne. Tegelikult väidab see põhimõte, et universumi moodustavate erinevate galaktikate gravitatsioonimõju on samaväärne peene tolmu gravitatsioonimõjuga, mis on ühtlaselt jaotunud kogu universumis ühesuguse keskmise tihedusega. Ühetaolise tolmu eeldus võimaldab hõlpsasti lahendada Einsteini välivõrrandeid ja ennustada universumi minevikku ja tulevikku kosmoloogilisel ajaskaalal.

Einsteini vältevõrrandite võrrandid sisaldavad kosmoloogilist konstanti (Lamda: Λ), mis on seotud tühja ruumi energiatihedusega. Sõltuvalt selle märgist võib kosmoloogiline konstant kas aeglustada (negatiivne Λ) või kiirendada (positiivne Λ) universumi paisumist. Kuigi paljud teadlased, sealhulgas Einstein, arvasid, et Λ on null, on hiljutised astronoomilised vaatlused Ia-tüüpi supernoovade kohta tuvastanud suure hulga tumeda energia, mis kiirendab universumi paisumist. Esialgsed uuringud viitavad sellele, et see tume energia on seotud positiivse Λ-ga, kuigi alternatiivseid teooriaid ei saa veel välistada.

Suure Paugu mudel

Valitsev Suure Paugu mudel seletab paljusid eespool kirjeldatud eksperimentaalseid vaatlusi, näiteks galaktikate kauguse ja punase nihke korrelatsiooni, vesiniku ja heeliumi aatomite universaalset suhet ning kõikjal esinevat isotroopset mikrolainekiirguse tausta. Nagu eespool märgitud, tuleneb punnihe ruumi metrilisest paisumisest; kui ruum ise paisub, suureneb ka läbi ruumi liikuva fotoni lainepikkus, vähendades selle energiat. Mida kauem on foton liikunud, seda suurema paisumise on ta läbi teinud; seega on kaugematest galaktikatest pärit vanemad fotonid kõige enam punase nihkega. Kauguse ja punanihe vahelise seose kindlaksmääramine on oluline probleem eksperimentaalses füüsikalises kosmoloogias.

Muid eksperimentaalseid vaatlusi saab seletada, kui ühendada ruumi üldine laienemine tuumafüüsika ja aatomifüüsika. Universumi laienedes väheneb elektromagnetilise kiirguse energiatihedus kiiremini kui aine energiatihedus, sest fotoni energia väheneb koos selle lainepikkusega. Seega, kuigi nüüd domineerib universumi energiatiheduses aine, domineeris kunagi kiirgus; poeetiliselt öeldes oli kõik valgus. Kui universum laienes, vähenes selle energiatihedus ja muutus jahedamaks; selle käigus said aine elementaarosakesed assotsieeruda stabiilselt üha suuremateks kombinatsioonideks. Nii moodustusid aine domineerimise ajastu alguses stabiilsed prootonid ja neutronid, mis seejärel assotsieerusid aatomituumadeks. Selles etapis oli universumi aine peamiselt negatiivsetest elektronidest, neutraalsetest neutriinodest ja positiivsetest tuumadest koosnev kuum, tihe plasma. Tuumareaktsioonid tuumade vahel viisid kergemate tuumade, eriti vesiniku, deuteeriumi ja heeliumi praeguse arvukuse tekkimiseni. Lõpuks ühinesid elektronid ja tuumad stabiilseteks aatomiteks, mis on läbipaistvad enamiku lainepikkuste kiirguse suhtes; sel hetkel eraldus kiirgus ainest, moodustades tänapäeval täheldatava kõikjal esineva, isotroopse mikrolaine kiirguse tausta.

Teistele tähelepanekutele ei anna teadaolevad füüsikaseadused selget vastust. Valdava teooria kohaselt oli universumi loomisel või tekkis väga varsti pärast seda kerge tasakaalustamatus aine ja antiaine vahel. Kuigi aine ja antiaine enamasti hävitasid üksteist, tekitades footoneid, jäi alles väike ainejääk, mis andis praeguse ainedest koosneva universumi.

Mitmed tõendid viitavad ka sellele, et universumi kiire kosmiline inflatsioon toimus väga varakult (umbes 10⁻³⁵ sekundit pärast universumi loomist). Hiljutised vaatlused viitavad ka sellele, et kosmoloogiline konstant (Λ) ei ole null ja et universumi netomassi-energiasisalduses domineerivad tume energia ja tume aine, mida ei ole teaduslikult iseloomustatud. Need erinevad oma gravitatsioonilise mõju poolest. Tumeaine gravitatsioon toimib nagu tavaline aine ja aeglustab seega universumi paisumist; tumeenergia seevastu kiirendab universumi paisumist.

Mõned inimesed arvavad, et Universumit on rohkem kui üks. Nad arvavad, et on olemas universumite kogum, mida nimetatakse multiversumiks. Definitsiooni järgi ei saa miski ühes universumis midagi mõjutada midagi teises universumis. Multiversum ei ole veel teaduslik idee, sest seda ei ole võimalik testida. Idee, mida ei saa testida või mis ei põhine loogikal, ei ole teadus. Seega ei ole teada, kas multiversum on teaduslik idee.

Universumi tulevik on mõistatus. Siiski on olemas paar teooriat, mis põhinevad universumi võimalikel kujudel:

• Kui universum on suletud kera, siis see lakkab paisumast. Universum teeb vastupidist ja muutub uue Suure Paugu jaoks singulaarsuseks.
• Kui universum on avatud kera, siis kiirendab see paisumist. Pärast 22 000 000 000 (22 miljardit) aastat rebeneb universum jõuga laiali.
• Kui universum on lame, siis laieneb see igavesti. Kõik tähed kaotavad selleks oma energia ja muutuvad kääbustähtedeks. Googol aasta pärast kaovad ka mustad augud.