Univers | tot timpul și spațiul și conținutul său

Oamenii au avut de mult timp idei pentru a explica Universul. Majoritatea modelelor timpurii aveau Pământul în centrul Universului. Acest lucru este cunoscut sub numele de geocentrism. Unii greci antici credeau că Universul are un spațiu infinit și că a existat dintotdeauna. Aceștia credeau că acesta avea un set de sfere celeste care corespundeau stelelor fixe, Soarelui și diferitelor planete. Sferele se învârteau în jurul unui Pământ rotund, dar nemișcat.

După sute de ani, observații mai bune au condus la modelul lui Copernicus centrat pe Soare, cunoscut sub numele de heliocentrism. Acesta a fost foarte controversat la vremea respectivă și a fost combătut de autoritățile religioase, cel mai cunoscut fiind cel al bisericii creștine (vezi Giordano Bruno și Galileo).

Inventarea telescopului în Olanda, în 1608, a reprezentat un moment foarte important în astronomie. Până la mijlocul anilor 1800, telescoapele erau suficient de bune pentru a permite observarea altor galaxii. Telescopul optic modern (folosește lumina vizibilă) este încă mai avansat. Între timp, Isaac Newton a îmbunătățit ideile de gravitație și de dinamică (ecuații) și a arătat cum funcționa sistemul solar.

În anii 1900, telescoapele și mai performante i-au făcut pe astronomi să realizeze că Sistemul Solar se află într-o galaxie formată din miliarde de stele, pe care o numim Calea Lactee. De asemenea, au realizat că există și alte galaxii în afara acesteia, atât cât putem vedea. Acest lucru a dat startul unui nou tip de astronomie numit cosmologie, în care astronomii studiază din ce sunt alcătuite aceste galaxii și cum sunt răspândite prin ele, astfel încât să poată afla mai multe despre istoria Universului și despre modul în care acesta funcționează. Măsurând deplasarea spre roșu a galaxiilor, cosmologii au descoperit în curând că Universul este în expansiune (vezi: Hubble).

Big Bang

Cel mai utilizat model științific al Universului este cunoscut sub numele de teoria Big Bang, care susține că Universul s-a extins dintr-un singur punct care a conținut toată materia și energia Universului. Există mai multe tipuri de dovezi științifice care susțin ideea Big Bang-ului. Astronomii cred că Big Bang-ul a avut loc în urmă cu aproximativ 13,73 miliarde de ani, ceea ce face ca Universul să aibă 13,73 miliarde de ani. De atunci, Universul s-a extins, ajungând să aibă un diametru de cel puțin 93 de miliarde de ani lumină, adică 8,80 ×10 ²⁶metri. În prezent, universul este încă în expansiune, iar expansiunea este din ce în ce mai rapidă.

Cu toate acestea, astronomii nu sunt încă siguri de cauzele expansiunii universului. Din acest motiv, astronomii numesc energia misterioasă care provoacă expansiunea energie întunecată. Studiind expansiunea Universului, astronomii și-au dat seama, de asemenea, că cea mai mare parte a materiei din Univers ar putea avea o formă care nu poate fi observată cu niciunul dintre echipamentele științifice de care dispunem. Această materie a fost numită materie întunecată. Pentru a fi clar, materia și energia întunecată nu au fost observate direct (de aceea sunt numite "întunecate"). Cu toate acestea, mulți astronomi cred că ele trebuie să existe, deoarece multe observații astronomice ar fi greu de explicat dacă nu ar exista.

Unele părți ale universului se extind chiar mai repede decât viteza luminii. Acest lucru înseamnă că lumina nu va putea ajunge niciodată până la noi, aici, pe Pământ, deci nu vom putea vedea niciodată aceste părți ale universului. Partea din univers pe care o putem vedea se numește univers observabil.

Cuvântul Univers provine din franceza veche Univers, care provine din cuvântul latin universum. Cuvântul latin a fost folosit de Cicero și de autorii latini de mai târziu în multe dintre aceleași sensuri în care este folosit cuvântul englezesc modern.

O altă interpretare (mod de a interpreta) a lui unvorsum este "totul s-a rotit ca unul" sau "totul s-a rotit cu unul". Aceasta se referă la un model grecesc timpuriu al Universului. În acel model, toată materia se afla în sfere rotative centrate pe Pământ; potrivit lui Aristotel, rotația sferei cele mai exterioare era responsabilă de mișcarea și schimbarea a tot ceea ce se afla în interiorul ei. Era firesc ca grecii să presupună că Pământul era staționar și că cerurile se roteau în jurul Pământului, deoarece sunt necesare măsurători astronomice și fizice atente (cum ar fi pendulul Foucault) pentru a dovedi contrariul.

Cel mai frecvent termen pentru "Univers" printre filosofii greci antici, începând cu Pitagora, era το παν (Totul), definit ca fiind toată materia (το ολον) și tot spațiul (το κενον).

Sensul cel mai larg

Cel mai larg înțeles al cuvântului Univers se găsește în De divisione naturae al filosofului medieval Johannes Scotus Eriugena, care îl definește ca fiind pur și simplu totul: tot ceea ce există și tot ceea ce nu există.

Timpul nu este luat în considerare în definiția lui Eriugena; astfel, definiția sa include tot ceea ce există, a existat și va exista, precum și tot ceea ce nu există, nu a existat niciodată și nu va exista niciodată. Această definiție atotcuprinzătoare nu a fost adoptată de majoritatea filozofilor de mai târziu, dar ceva asemănător se regăsește în fizica cuantică.

Definiția ca realitate

De obicei, Universul este considerat a fi tot ceea ce există, a existat și va exista. Această definiție spune că Universul este alcătuit din două elemente: spațiu și timp, cunoscute împreună sub numele de spațiu-timp sau vid; și materie și diferite forme de energie și impuls care ocupă spațiul-timp. Cele două tipuri de elemente se comportă în conformitate cu legile fizice, în care se descrie modul în care elementele interacționează.

O definiție similară a termenului de univers este tot ceea ce există într-un singur moment de timp, cum ar fi prezentul sau începutul timpului, ca în propoziția "Universul avea dimensiunea 0".

În cartea lui Aristotel, Fizica, Aristotel a împărțit το παν (totul) în trei elemente aproximativ analoge: materia (materia din care este făcut Universul), forma (dispunerea acestei materii în spațiu) și schimbarea (modul în care materia este creată, distrusă sau modificată în proprietățile sale și, în mod similar, modul în care forma este modificată). Legile fizice reprezentau regulile care guvernează proprietățile materiei, ale formei și ale modificărilor acestora. Filozofii de mai târziu, cum ar fi Lucretius, Averroes, Avicenna și Baruch Spinoza, au modificat sau rafinat aceste diviziuni. De exemplu, Averroes și Spinoza au principii active care guvernează Universul și care acționează asupra elementelor pasive.

Definiții spațiu-timp

Este posibil să se formeze spațio-timpuri, fiecare dintre ele existând, dar nefiind capabil să se atingă, să se miște sau să se schimbe (să interacționeze unul cu celălalt). Un mod simplu de a ne gândi la acest lucru este un grup de baloane de săpun separate, în care oamenii care trăiesc pe un balon de săpun nu pot interacționa cu cei din alte baloane de săpun. Conform unei terminologii obișnuite, fiecare "bulă de săpun" din spațiul-timp este denumită univers, în timp ce spațiul-timp particular al nostru este denumit Univers, la fel cum noi numim Luna noastră Luna. Întregul ansamblu al acestor spații-timpuri separate este denumit multivers. În principiu, celelalte universuri neconectate pot avea dimensiuni și topologii diferite ale spațiului-timp, forme diferite de materie și energie, precum și legi fizice și constante fizice diferite, deși aceste posibilități sunt speculații.

Realitatea observabilă

Conform unei definiții și mai restrictive, Universul este tot ceea ce se află în spațiul-timp conectat la noi și care ar putea avea o șansă de a interacționa cu noi și viceversa.

Conform ideii generale a relativității, este posibil ca unele regiuni ale spațiului să nu interacționeze niciodată cu ale noastre, chiar și în timpul vieții Universului, din cauza vitezei finite a luminii și a expansiunii continue a spațiului. De exemplu, este posibil ca mesajele radio trimise de pe Pământ să nu ajungă niciodată în unele regiuni ale spațiului, chiar dacă Universul ar exista pentru totdeauna; spațiul se poate extinde mai repede decât poate traversa lumina.

Merită subliniat faptul că aceste regiuni îndepărtate ale spațiului sunt considerate a exista și a face parte din realitate la fel ca și noi; totuși, nu putem interacționa niciodată cu ele, nici măcar în principiu. Regiunea spațială în interiorul căreia putem afecta și putem fi afectați este denumită universul observabil.

Strict vorbind, Universul observabil depinde de locul în care se află observatorul. Călătorind, un observator poate intra în contact cu o regiune mai mare de spațiu-timp decât un observator care rămâne nemișcat, astfel încât Universul observabil pentru primul este mai mare decât pentru cel de-al doilea. Cu toate acestea, chiar și cel mai rapid călător poate să nu poată interacționa cu tot spațiul. În mod obișnuit, prin "Univers observabil" se înțelege Universul văzut din punctul nostru de observație din galaxia Calea Lactee.

Universul este imens și posibil infinit ca volum. Materia care poate fi văzută este răspândită pe un spațiu de cel puțin 93 de miliarde de ani lumină. Pentru comparație, diametrul unei galaxii tipice este de numai 30.000 de ani-lumină, iar distanța tipică dintre două galaxii vecine este de numai 3 milioane de ani-lumină. De exemplu, galaxia noastră, Calea Lactee, are un diametru de aproximativ 100.000 de ani-lumină, iar cea mai apropiată galaxie soră, galaxia Andromeda, se află la o distanță de aproximativ 2,5 milioane de ani-lumină. Universul observabil conține mai mult de 2 trilioane (10¹² ) de galaxii și, în total, un număr estimat de 1×10²⁴ stele (mai multe stele decât toate grăunțele de nisip de pe planeta Pământ).

Galaxiile tipice variază de la galaxii pitice cu doar zece milioane (10⁷ ) de stele până la gigantice cu un trilion (10 ) ¹²de stele, care orbitează în jurul centrului de masă al galaxiei. Astfel, o estimare foarte aproximativă pornind de la aceste cifre ar sugera că există aproximativ un sextilion (10²¹ ) de stele în Universul observabil; cu toate că un studiu realizat în 2003 de astronomii de la Universitatea Națională Australiană a dus la o cifră de 70 de sextilioane (7 x 10²² ).

Materia care poate fi văzută este răspândită în întregul Univers atunci când este calculată pe distanțe mai mari de 300 de milioane de ani lumină. Cu toate acestea, la scări de lungime mai mici, se observă că materia formează "aglomerări", mulți atomi sunt condensați în stele, majoritatea stelelor în galaxii, majoritatea galaxiilor în grupuri și roiuri de galaxii și, în cele din urmă, în structuri la scară mare, cum ar fi Marele Zid al galaxiilor.

Densitatea totală actuală a Universului este foarte scăzută, aproximativ 9,9 × 10⁻³⁰ grame pe centimetru cub. Această masă-energie pare să fie compusă din 73% energie întunecată, 23% materie întunecată rece și 4% materie obișnuită. Densitatea atomilor este de aproximativ un singur atom de hidrogen la fiecare patru metri cubi de volum. Proprietățile energiei întunecate și ale materiei întunecate nu sunt cunoscute. Materia întunecată încetinește expansiunea Universului. Energia întunecată face ca expansiunea acestuia să fie mai rapidă.

Universul este vechi și în schimbare. Cea mai bună estimare a vârstei Universului este de 13,798±0,037 miliarde de ani, pe baza a ceea ce s-a observat din radiația cosmică de fond cu microunde. Estimările independente (bazate pe măsurători, cum ar fi datarea radioactivă) sunt de acord, deși sunt mai puțin precise, variind între 11 și 20 de miliarde de ani. și 13-15 miliarde de ani.

Universul nu a fost același în toate momentele din istoria sa. Această mărire explică faptul că oamenii de pe Pământ pot vedea lumina unei galaxii aflate la 30 de miliarde de ani-lumină distanță, chiar dacă această lumină a călătorit doar 13 miliarde de ani; spațiul dintre ele s-a extins. Această expansiune este în concordanță cu observația conform căreia lumina provenită de la galaxiile îndepărtate a fost deplasată spre roșu; fotonii emiși au fost întinși la lungimi de undă mai mari și frecvențe mai mici în timpul călătoriei lor. Ritmul acestei expansiuni spațiale se accelerează, pe baza studiilor privind supernovele de tip Ia și a altor date.

Cantitățile relative ale diferitelor elemente chimice - în special ale celor mai ușori atomi, cum ar fi hidrogenul, deuteriul și heliul - par a fi identice în tot Universul și în toată istoria acestuia pe care o cunoaștem. Universul pare să aibă mult mai multă materie decât antimaterie. Universul pare să nu aibă nicio sarcină electrică netă. Gravitația este interacțiunea dominantă la distanțe cosmologice. De asemenea, Universul pare să nu aibă niciun moment sau moment unghiular net. Absența sarcinii nete și a impulsului este de așteptat dacă Universul este finit.

Universul pare să aibă un continuum spațiu-timp neted, format din trei dimensiuni spațiale și o dimensiune temporală (timp). În medie, spațiul este foarte aproape plat (curbură apropiată de zero), ceea ce înseamnă că geometria euclidiană este adevarată din punct de vedere experimental cu o precizie ridicată în cea mai mare parte a Universului. Cu toate acestea, Universul poate avea mai multe dimensiuni, iar spațiu-timpul său poate avea o topologie globală cu conexiuni multiple.

Universul are aceleași legi fizice și constante fizice. Conform modelului standard de fizică predominant, toată materia este compusă din trei generații de leptoni și quarci, ambele fiind fermioni. Aceste particule elementare interacționează prin intermediul a cel mult trei interacțiuni fundamentale: interacțiunea electromagnetică slabă, care include electromagnetismul și forța nucleară slabă; forța nucleară puternică, descrisă de cromodinamica cuantică; și gravitația, care este cel mai bine descrisă în prezent de relativitatea generală.

Relativitatea specială este valabilă în tot Universul în spațiu și timp local. În caz contrar, se aplică relativitatea generală. Nu există nicio explicație pentru valorile particulare pe care constantele fizice par să le aibă în tot Universul nostru, cum ar fi constanta lui Planck h sau constanta gravitațională G. Au fost identificate mai multe legi de conservare, cum ar fi conservarea sarcinii, conservarea momentului, conservarea momentului unghiular și conservarea energiei.

Teoria generală a relativității

Predicțiile exacte ale trecutului și viitorului Universului necesită o teorie exactă a gravitației. Cea mai bună teorie disponibilă este teoria generală a relativității a lui Albert Einstein, care a trecut toate testele experimentale de până acum. Cu toate acestea, deoarece nu au fost efectuate experimente riguroase la scări cosmologice de lungime, este posibil ca relativitatea generală să fie inexactă. Cu toate acestea, predicțiile sale par să fie în concordanță cu observațiile, astfel încât nu există niciun motiv pentru a adopta o altă teorie.

Relativitatea generală prevede un set de zece ecuații diferențiale parțiale neliniare pentru metrica spațiu-timp (ecuațiile de câmp ale lui Einstein) care trebuie rezolvate pornind de la distribuția masei-energie și a impulsului în Univers. Deoarece acestea nu sunt cunoscute în detaliu, modelele cosmologice s-au bazat pe principiul cosmologic, care afirmă că Universul este omogen și izotrop. De fapt, acest principiu afirmă că efectele gravitaționale ale diferitelor galaxii care alcătuiesc Universul sunt echivalente cu cele ale unui praf fin distribuit uniform în Univers cu aceeași densitate medie. Ipoteza unui praf uniform facilitează rezolvarea ecuațiilor de câmp ale lui Einstein și prezicerea trecutului și viitorului Universului la scări cosmologice de timp.

Ecuațiile de câmp ale lui Einstein includ o constantă cosmologică (Lamda: Λ), care este legată de o densitate de energie a spațiului gol. În funcție de semnul său, constanta cosmologică poate încetini (Λ negativ) sau accelera (Λ pozitiv) expansiunea Universului. Deși mulți oameni de știință, inclusiv Einstein, au speculat că Λ este zero, observații astronomice recente ale supernovelor de tip Ia au detectat o cantitate mare de energie întunecată care accelerează expansiunea Universului. Studiile preliminare sugerează că această energie întunecată este legată de un Λ pozitiv, deși încă nu pot fi excluse teoriile alternative.

Modelul Big Bang

Modelul Big Bang predominant explică multe dintre observațiile experimentale descrise mai sus, cum ar fi corelația dintre distanța și deplasarea spre roșu a galaxiilor, raportul universal dintre atomii de hidrogen și heliu și fondul de radiație de microunde izotropic și omniprezent. După cum s-a menționat mai sus, deplasarea spre roșu provine din expansiunea metrică a spațiului; pe măsură ce spațiul însuși se extinde, lungimea de undă a unui foton care călătorește prin spațiu crește de asemenea, scăzându-i energia. Cu cât un foton călătorește de mai mult timp, cu atât mai multă expansiune a suferit; prin urmare, fotonii mai vechi, proveniți din galaxii mai îndepărtate, sunt cei mai deplasați spre roșu. Determinarea corelației dintre distanță și deplasarea spre roșu este o problemă importantă în cosmologia fizică experimentală.

Alte observații experimentale pot fi explicate prin combinarea expansiunii globale a spațiului cu fizica nucleară și atomică. Pe măsură ce Universul se extinde, densitatea de energie a radiației electromagnetice scade mai repede decât cea a materiei, deoarece energia unui foton scade odată cu lungimea sa de undă. Astfel, deși densitatea energetică a Universului este dominată acum de materie, ea a fost odată dominată de radiație; poetic vorbind, totul era lumină. Pe măsură ce Universul s-a extins, densitatea sa energetică a scăzut și a devenit mai rece; în acest fel, particulele elementare ale materiei s-au putut asocia în mod stabil în combinații din ce în ce mai mari. Astfel, în prima parte a erei dominate de materie, s-au format protoni și neutroni stabili, care s-au asociat apoi în nuclee atomice. În această etapă, materia din Univers era în principal o plasmă fierbinte și densă de electroni negativi, neutrini neutri și nuclee pozitive. Reacțiile nucleare dintre nuclee au condus la abundența actuală a nucleelor mai ușoare, în special hidrogen, deuteriu și heliu. În cele din urmă, electronii și nucleele s-au combinat pentru a forma atomi stabili, care sunt transparenți la majoritatea lungimilor de undă ale radiației; în acest moment, radiația s-a decuplat de materie, formând fondul omniprezent și izotropic de radiații cu microunde observat astăzi.

Alte observații nu găsesc un răspuns clar în fizica cunoscută. Conform teoriei dominante, un ușor dezechilibru între materie și antimaterie a fost prezent la crearea Universului sau s-a dezvoltat la foarte scurt timp după aceea. Deși materia și antimateria s-au anihilat reciproc în cea mai mare parte, producând fotoni, un mic reziduu de materie a supraviețuit, dând naștere Universului actual dominat de materie.

Mai multe dovezi sugerează, de asemenea, că o inflație cosmică rapidă a Universului a avut loc foarte devreme în istoria sa (aproximativ 10⁻³⁵ secunde după crearea sa). Observațiile recente sugerează, de asemenea, că constanta cosmologică (Λ) nu este zero și că conținutul net de masă-energie al Universului este dominat de o energie și o materie întunecată care nu au fost caracterizate științific. Acestea diferă în ceea ce privește efectele lor gravitaționale. Materia întunecată gravitează ca și materia obișnuită și, prin urmare, încetinește expansiunea Universului; în schimb, energia întunecată servește la accelerarea expansiunii Universului.

Ipoteza multiversului

Unii oameni cred că există mai mult de un univers. Ei cred că există un set de universuri numit multivers. Prin definiție, nu există nicio posibilitate ca ceva dintr-un univers să afecteze ceva din alt univers. Multiversul nu este încă o idee științifică, deoarece nu există nicio modalitate de a o testa. O idee care nu poate fi testată sau care nu se bazează pe logică nu este știință. Așadar, nu se știe dacă multiversul este o idee științifică.

Acesta este un subiect științific numit "Soarta finală a universului". Este un subiect din domeniul cosmologiei. Există scenarii posibile pentru evoluția sa. Problema de bază este dacă existența sa este finită sau infinită.

Viitorul Universului este un mister. Cu toate acestea, există câteva teorii bazate pe formele posibile ale Universului:

• Dacă Universul este o sferă închisă, se va opri din expansiune. Universul va face contrariul și va deveni o singularitate pentru un alt Big Bang. Aceasta este teoria Big Crunch sau Big Bounce.
• Dacă Universul este o sferă deschisă, expansiunea se va accelera. După 22.000.000.000.000 (22 miliarde) de ani, Universul se va rupe în bucăți din cauza forței. Aceasta este teoria Big Rip.
• Dacă Universul este plat, acesta se va extinde la nesfârșit. Toate stelele își vor pierde energia.
• După un googol de ani, găurile negre vor dispărea și ele. Aceasta este teoria morții termice a universului sau teoria Big Freeze.
• Ar putea apărea un "creier al lui Boltzmann", iar fluctuațiile cuantice aleatorii și tunelizarea cuantică ar putea genera un nou Big Bang după o perioadă de timp incredibilă. Pe parcursul unui timp infinit ar putea exista, de asemenea, o scădere a entropiei prin teorema recurenței lui Poincaré sau prin fluctuații termice.

Există un consens puternic în rândul cosmologilor conform căruia forma universului este considerată "plată" (liniile paralele rămân paralele) și va continua să se extindă la nesfârșit.