Вселенная поражает своими масштабами, но как именно человечество способно измерить то, что кажется безграничным? В новом выпуске научно-популярного канала PBS Space Time ведущий подробно разбирает механизмы, позволяющие астрономам вычислить размеры наблюдаемой Вселенной. Оказывается, для этого не нужны гигантские линейки — достаточно знать возраст космического пространства и историю его расширения.
🌌 Масштабы, от которых захватывает дух 0:00
Расстояния в космосе принято измерять в световых годах — расстоянии, которое свет проходит за один год, что составляет примерно 9 триллионов километров. Чтобы осознать эти масштабы, автор видео приводит несколько поразительных фактов:
- Солнечная система: диаметр нашей системы составляет около 8 световых часов (или 9 миллиардов километров).
- Млечный Путь: наша родная галактика простирается примерно на 100 000 световых лет, что эквивалентно почти 1 квинтиллиону километров.
- Галактика Андромеды: ближайшая к нам крупная галактика находится на расстоянии 2,5 миллионов световых лет, из-за чего измерять такие дистанции в километрах становится бессмысленно.
Однако всё это — лишь крошечная часть окружающего мира. Когда речь заходит о Вселенной в целом, ученые разделяют ее на «всю Вселенную» и так называемую «наблюдаемую Вселенную». Наблюдаемая Вселенная представляет собой сферу с радиусом около 46 миллиардов световых лет, что дает диаметр около 90 миллиардов световых лет от края до края, если округлить значение в меньшую сторону для простоты расчетов. Мы физически не способны видеть объекты, находящиеся дальше этой границы, поскольку свет из более отдаленных областей еще просто не успел дойти до Земли с момента зарождения мира.
🍞 Парадокс расширения и аналогия с изюмом 1:07
Самым удивительным фактом является то, что астрономы вообще способны назвать точные размеры наблюдаемой Вселенной, не имея возможности измерить ее напрямую. Метод вычисления строится на определении возраста Вселенной, который по текущим научным оценкам составляет около 13,8 миллиардов лет. Это максимальное время, которое свет мог затратить на путешествие к нам. Логично было бы предположить, что и радиус доступной нам сферы должен быть равен 13,8 миллиардам световых лет, однако реальная цифра намного больше.
Причина этого кроется в том, что само пространство непрерывно расширяется. Для объяснения этого феномена ведущий использует популярную аналогию с выпеканием хлеба:
- Представьте себе буханку изюмного хлеба, которая поднимается в духовке.
- Каждая изюминка символизирует скопление галактик, а окружающее тесто — само космическое пространство.
- Изюминки не перемещаются сквозь тесто сами по себе, но по мере выпекания хлеба все они отдаляются друг от друга, потому что расширяется разделяющее их тесто.
Важно отметить, что сами изюминки (как и скопления галактик, отдельные звездные системы, Земля, люди или деревья) не увеличиваются в размерах — расширяется только относительно пустое пространство между ними. Кроме того, «космическое тесто» может расширяться с разной скоростью на разных этапах своей истории. Скорость этого процесса ничем не ограничена физическими законами движения объектов и может даже превышать скорость света. Из-за этого изменчивого темпа место, где миллиарды лет назад родилась вспышка света, за время своего пути уносится невероятно далеко от нас.
🔴 Космологическое красное смещение как отпечаток истории 2:41
Чтобы точно рассчитать размер Вселенной, необходимо знать скорость её расширения в каждый исторический момент. Узнать это помогает физическое явление, известное как космологическое красное смещение, которое ведущий называет «отпечатком пальца», оставляемым расширением пространства на световых лучах.
Цвет света определяется длиной его волны: более длинные волны соответствуют красному цвету, более короткие — синему. Если бы пространство оставалось статичным, свет из далекой галактики приходил бы на Землю в неизменном виде: синий на старте оставался бы синим на финише. Однако из-за растяжения самой ткани пространства в процессе путешествия световая волна удлиняется, сдвигаясь к красному концу спектра. В экстремальных случаях волна может растянуться настолько, что полностью выходит из видимого диапазона, превращаясь в микроволны или радиоволны.
При этом свет от более далеких галактик демонстрирует более сильное красное смещение. Это объясняется тем, что ему приходится преодолевать большее расстояние, а значит, он дольше находится внутри «растущего космического теста», подвергаясь большему деформационному воздействию. Понимание количественной взаимосвязи между расстоянием и красным смещением является фундаментальным ключом к разгадке истории Вселенной. Для этого астрономы находят множество далеких галактик, измеряют их параметры, наносят данные на график и строят кривую наилучшего соответствия.
🎬 Запуск космической киноленты вспять 4:16
Получив подробный график истории расширения, ученые могут сделать два ключевых шага для определения размеров наблюдаемой Вселенной. Первый шаг — установление точного возраста космоса. Если запустить «фильм» о поднимающемся тесте в обратную сторону с известной скоростью, то рано или поздно весь изюм сойдется в одной точке. Этот момент коллапса знаменует Большой взрыв. На основе этой модели ученые рассчитали, что текущий возраст Вселенной равен примерно 13,8 миллиардам лет.
Второй шаг включает в себя математические расчеты, которые можно представить наглядно:
- Вообразим, что через секунду после Большого взрыва каждая изюминка испустила луч света, способный лететь без препятствий.
- Запустив хронологию вперед, мы увидим, как эти воображаемые лучи движутся сквозь расширяющееся пространство и достигают нас в разное время.
- Один из таких лучей достигнет Земли ровно в тот момент, когда на космических часах исполнится 13,8 миллиардов лет.
- Если посмотреть, где эта «изюминка-источник» находится прямо сейчас, ответ составит около 46 миллиардов световых лет.
Именно так исследователи приходят к выводу, что диаметр наблюдаемой Вселенной равен примерно 90 миллиардам световых лет. Безусловно, за пределами этой невидимой границы существуют и другие галактики, но их свет еще не успел дойти до нас, что является темой для отдельных дискуссий.
👽 Дискуссия о парадоксе Ферми и инопланетянах 5:33
В финальной части выпуска ведущий обратился к комментариям зрителей к прошлому видео, где обсуждалась рациональность веры в инопланетную жизнь. Некоторые пользователи отметили крайне низкую вероятность случайно встретить в космосе условный космический корабль вроде «Тысячелетнего сокола». Ведущий пояснил, что этот пример не стоит воспринимать слишком буквально. Суть парадокса Ферми заключается в том, что колонизация галактики развитой цивилизацией могла бы произойти настолько стремительно, что если бы жизнь была распространенным явлением, следы этой экспансии уже были бы повсюду заметны.
Среди других интересных мнений зрителей были выделены следующие тезисы:
- Расширение внутрь: пользователь Nick G предположил, что сверхразвитая цивилизация может стремиться к расширению не наружу (в открытый космос), а внутрь — например, в сферу продвинутых компьютерных микросхем.
- Первая директива: зритель под ником the jeta afh поднял вопрос о «Первой директиве» (запрете на вмешательство в развитие других культур), на что ведущий с иронией вспомнил капитана Джеймса Т. Кирка из «Звездного пути», который регулярно нарушал это правило.
- Взгляд со стороны: пользователь Rob L Roa оставил глубокомысленный комментарий, напомнив об остроумных выводах из комикса «Кальвин и Хоббс».
