Vesolje: kaj je, iz česa je sestavljeno in osnovne kozmološke teorije

Beseda vesolje izhaja iz starofrancoske besede Univers, ki izhaja iz latinske besede universum. Latinsko besedo so Ciceron in poznejši latinski avtorji uporabljali v številnih enakih pomenih kot sodobno angleško besedo.

Drugačna razlaga (način razlage) unvorsum je "vse se vrti kot eno" ali "vse se vrti za eno". To se nanaša na zgodnji grški model vesolja. V tem modelu je bila vsa snov v vrtečih se kroglah s središčem na Zemlji; po Aristotelu je bilo vrtenje najbolj zunanje krogle odgovorno za gibanje in spreminjanje vsega v njej. Za Grke je bilo naravno, da so domnevali, da je Zemlja nepremična in da se nebo vrti okoli Zemlje, saj so za dokazovanje nasprotnega potrebne skrbne astronomske in fizikalne meritve (kot je Foucaultovo nihalo).

Starogrški filozofi od Pitagore naprej so za "vesolje" najpogosteje uporabljali izraz το παν (Vse), ki je bil opredeljen kot vsa snov (το ολον) in ves prostor (το κενον).

Najširši pomen

Najširši besedni pomen vesolja najdemo v delu De divisione naturae srednjeveškega filozofa Johannesa Scota Eriugena, ki ga je opredelil kot preprosto vse: vse, kar obstaja, in vse, česar ni.

V Eriugenovi opredelitvi čas ni upoštevan, zato njegova opredelitev vključuje vse, kar obstaja, je obstajalo in bo obstajalo, pa tudi vse, kar ne obstaja, nikoli ni obstajalo in nikoli ne bo obstajalo. Te vseobsegajoče opredelitve večina poznejših filozofov ni sprejela, nekaj podobnega pa je v kvantni fiziki.

Opredelitev kot resničnost

Običajno je vesolje vse, kar obstaja, je obstajalo in bo obstajalo. Ta opredelitev pravi, da je vesolje sestavljeno iz dveh elementov: prostora in časa, ki ju skupaj imenujemo prostor-čas ali vakuum, ter snovi in različnih oblik energije in gibanja, ki zavzemajo prostor-čas. Ti dve vrsti elementov se obnašata v skladu s fizikalnimi zakoni, v katerih opišemo, kako se elementi med seboj prepletajo.

Podobna definicija izraza vesolje je vse, kar obstaja v določenem časovnem trenutku, na primer v sedanjosti ali na začetku časa, kot v stavku "Vesolje je imelo velikost 0".

V Aristotelovi knjigi Fizika je Aristotel razdelil το παν (vse) na tri približno podobne elemente: snov (snov, iz katere je sestavljeno vesolje), obliko (razporeditev te snovi v prostoru) in spremembo (kako se snov ustvarja, uničuje ali spreminja v svojih lastnostih in podobno, kako se spreminja oblika). Fizikalni zakoni so pravila, ki urejajo lastnosti snovi, oblike in njihovih sprememb. Poznejši filozofi, kot so Lukrecij, Averroes, Avicenna in Baruch Spinoza, so te delitve spremenili ali izpopolnili. Averroes in Spinoza imata na primer aktivna načela, ki upravljajo vesolje in delujejo na pasivne elemente.

Opredelitve prostora in časa

Mogoče je oblikovati prostor-čas, od katerih vsak obstaja, vendar se ne more dotikati, premikati ali spreminjati (medsebojno vplivati drug na drugega). To si lahko preprosto predstavljamo kot skupino ločenih milnih mehurčkov, v kateri ljudje, ki živijo v enem milnem mehurčku, ne morejo komunicirati s tistimi, ki živijo v drugih milnih mehurčkih. Po eni od splošnih terminologij se vsak "milni mehurček" prostor-časa označuje kot vesolje, medtem ko se naš posebni prostor-čas označuje kot vesolje, tako kot naši luni pravimo luna. Celotna zbirka teh ločenih prostor-časov se imenuje multiverzum. Načeloma imajo lahko druga nepovezana vesolja različne dimenzije in topologije prostor-časa, različne oblike snovi in energije ter različne fizikalne zakone in fizikalne konstante, čeprav so takšne možnosti le ugibanja.

Opazovana resničnost

Po še strožji definiciji je vesolje vse, kar je v našem povezanem prostor-času in bi lahko imelo možnost interakcije z nami in obratno.

V skladu s splošno relativnostno teorijo nekatera območja prostora zaradi končne hitrosti svetlobe in nenehnega širjenja vesolja morda ne bodo nikoli sodelovala z našim prostorom, celo v celotnem času trajanja vesolja. Na primer, radijska sporočila, poslana z Zemlje, morda nikoli ne bodo dosegla nekaterih območij vesolja, tudi če bi vesolje obstajalo večno; prostor se lahko širi hitreje, kot ga lahko prečka svetloba.

Treba je poudariti, da ta oddaljena območja vesolja obstajajo in so del resničnosti prav tako kot mi, vendar z njimi nikoli ne moremo komunicirati, niti načeloma. Prostorsko območje, v katerem lahko vplivamo in na katerega lahko vplivamo, označujemo kot opazljivo vesolje.

Strogo gledano je opazovano vesolje odvisno od lokacije opazovalca. S potovanjem lahko opazovalec pride v stik z večjim območjem prostor-časa kot opazovalec, ki miruje, zato je opazljivo vesolje za prvega večje kot za drugega. Kljub temu tudi najhitrejši popotnik morda ne bo mogel vstopiti v stik z vsem prostorom. Običajno "opazljivo vesolje" pomeni vesolje, ki ga vidimo z našega zornega kota v galaksiji Mlečna cesta.

Vesolje je ogromno in morda neskončno veliko. Materija, ki jo lahko vidimo, se razprostira na prostoru, velikem vsaj 93 milijard svetlobnih let. Za primerjavo: premer tipične galaksije je le 30.000 svetlobnih let, tipična razdalja med dvema sosednjima galaksijama pa le 3 milijone svetlobnih let. Na primer, naša galaksija Mlečna cesta ima premer približno 100.000 svetlobnih let, naša najbližja sestrska galaksija Andromeda pa je od nas oddaljena približno 2,5 milijona svetlobnih let. Opazovano vesolje vsebuje več kot 2 bilijona (10¹² ) galaksij in skupno približno 1×10²⁴ zvezd (več zvezd kot vseh zrnc peska na planetu Zemlja).

Tipične galaksije segajo od pritlikavih galaksij z le desetimi milijoni (10⁷ ) do velikank z enim bilijonom (10¹² ) zvezd, ki krožijo okoli masnega središča galaksije. Tako bi po zelo grobi oceni na podlagi teh številk v opazovanem vesolju obstajalo približno en sestilijon (10²¹ ) zvezd; čeprav je študija astronomov Avstralske nacionalne univerze iz leta 2003 pokazala številko 70 sestilijonov (7 x 10²² ).

Opazna snov je razpršena po celotnem vesolju, če jo izmerimo na razdaljah, daljših od 300 milijonov svetlobnih let. Na manjših dolžinskih razdaljah pa je opaziti, da se snov združuje v "skupke", veliko atomov se zgosti v zvezde, večina zvezd v galaksije, večina galaksij v skupine in kopice galaksij ter nazadnje v strukture največjih razsežnosti, kot je Veliki zid galaksij.

Sedanja skupna gostota vesolja je zelo majhna, približno 9,9 × 10⁻³⁰ gramov na kubični centimeter. Zdi se, da je ta masa-energija sestavljena iz 73 % temne energije, 23 % hladne temne snovi in 4 % običajne snovi. Gostota atomov je približno en vodikov atom na vsake štiri kubične metre prostornine. Lastnosti temne energije in temne snovi niso znane. Temna snov upočasnjuje širjenje vesolja. Temna energija pospešuje širjenje vesolja.

Vesolje je staro in se spreminja. Najboljša ocena starosti vesolja je 13,798±0,037 milijarde let, in sicer na podlagi podatkov, ki so bili pridobljeni iz sevanja kozmičnega mikrovalovnega ozadja. Neodvisne ocene (ki temeljijo na meritvah, kot je radioaktivno datiranje) se strinjajo, čeprav so manj natančne in se gibljejo od 11-20 milijard let do 13-15 milijard let.

Vesolje v svoji zgodovini ni bilo vedno enako. Zaradi tega, ker se vesolje povečuje, lahko Zemljani vidijo svetlobo iz galaksije, oddaljene 30 milijard svetlobnih let, čeprav je ta svetloba potovala le 13 milijard let; prostor med njima se je namreč razširil. To širjenje je skladno z opazovanjem, da je svetloba iz oddaljenih galaksij rdeče premaknjena; oddani fotoni so se med potovanjem raztegnili na daljše valovne dolžine in nižje frekvence. Na podlagi študij supernov tipa Ia in drugih podatkov se hitrost tega prostorskega širjenja pospešuje.

Relativne količine različnih kemijskih elementov - zlasti najlažjih atomov, kot so vodik, devterij in helij - se zdijo enake v celotnem vesolju in v vsej njegovi zgodovini, ki jo poznamo. Zdi se, da je v vesolju veliko več snovi kot antimaterije. Zdi se, da vesolje nima neto električnega naboja. Gravitacija je prevladujoča interakcija na kozmoloških razdaljah. Prav tako se zdi, da vesolje nima neto gibalne sile ali kotnega momenta. Če je vesolje končno, je odsotnost neto naboja in gibalne sile pričakovana.

Zdi se, da ima vesolje gladek prostorsko-časovni kontinuum, sestavljen iz treh prostorskih in ene časovne dimenzije. V povprečju je prostor zelo skoraj raven (skoraj ničelna ukrivljenost), kar pomeni, da je evklidska geometrija v večini vesolja eksperimentalno zelo natančna. Vendar ima vesolje lahko več razsežnosti, njegov prostor-čas pa ima lahko večkratno povezano globalno topologijo.

V vesolju veljajo enaki fizikalni zakoni in fizikalne konstante. V skladu s prevladujočim standardnim modelom fizike je vsa snov sestavljena iz treh generacij leptonov in kvarkov, ki so fermioni. Ti osnovni delci medsebojno delujejo z največ tremi temeljnimi interakcijami: elektrošibko interakcijo, ki vključuje elektromagnetizem in šibko jedrsko silo, močno jedrsko silo, ki jo opisuje kvantna kromodinamika, in gravitacijo, ki jo trenutno najbolje opisuje splošna teorija relativnosti.

Posebna relativnost velja v celotnem vesolju v lokalnem prostoru in času. V nasprotnem primeru velja splošna relativnost. Ni razlage za posebne vrednosti fizikalnih konstant, za katere se zdi, da imajo v našem vesolju, kot sta Planckova konstanta h ali gravitacijska konstanta G. Določenih je bilo več ohranitvenih zakonov, kot so ohranitev naboja, ohranitev navora, ohranitev kotnega navora in ohranitev energije.

Splošna teorija relativnosti

Za natančno napovedovanje preteklosti in prihodnosti vesolja je potrebna natančna teorija gravitacije. Najboljša razpoložljiva teorija je splošna teorija relativnosti Alberta Einsteina, ki je doslej prestala vse eksperimentalne preizkuse. Ker pa strogi poskusi na kozmoloških dolžinskih lestvicah še niso bili izvedeni, je mogoče, da je splošna teorija relativnosti netočna. Kljub temu se njene napovedi zdijo skladne z opazovanji, zato ni razloga, da bi sprejeli drugo teorijo.

Splošna relativnost vsebuje niz desetih nelinearnih parcialnih diferencialnih enačb za metriko prostor-časa (Einsteinove enačbe polja), ki jih je treba rešiti na podlagi porazdelitve mase, energije in navora v vesolju. Ker te niso natančno znane, so kozmološki modeli temeljili na kozmološkem načelu, ki pravi, da je vesolje homogeno in izotropno. To načelo dejansko trdi, da so gravitacijski učinki različnih galaksij, ki sestavljajo vesolje, enakovredni gravitacijskim učinkom drobnega prahu, enakomerno porazdeljenega po vesolju z enako povprečno gostoto. Predpostavka o enakomernem prahu omogoča enostavno reševanje Einsteinovih enačb polja ter napovedovanje preteklosti in prihodnosti vesolja na kozmoloških časovnih skalah.

Einsteinove enačbe polja vključujejo kozmološko konstanto (Lamda: Λ), ki je povezana z gostoto energije v praznem prostoru. Kozmološka konstanta lahko glede na svoj predznak upočasni (negativni Λ) ali pospeši (pozitivni Λ) širjenje vesolja. Čeprav so številni znanstveniki, vključno z Einsteinom, domnevali, da je Λ enak nič, so nedavna astronomska opazovanja supernov tipa Ia odkrila veliko količino temne energije, ki pospešuje širjenje vesolja. Preliminarne študije kažejo, da je ta temna energija povezana s pozitivnim Λ, čeprav zaenkrat še ni mogoče izključiti alternativnih teorij.

Model velikega poka

Prevladujoči model velikega poka pojasnjuje številna zgoraj opisana eksperimentalna opazovanja, kot so korelacija razdalje in rdečega zamika galaksij, univerzalno razmerje med vodikovimi in helijevimi atomi ter vseprisotno izotropno mikrovalovno sevalno ozadje. Kot je navedeno zgoraj, je rdeči premik posledica metričnega širjenja prostora; s širjenjem samega prostora se povečuje tudi valovna dolžina fotona, ki potuje skozi prostor, kar zmanjšuje njegovo energijo. Čim dlje potuje foton, tem bolj se je razširil; zato so starejši fotoni iz bolj oddaljenih galaksij najbolj rdeče premaknjeni. Določitev povezave med razdaljo in rdečim premikom je pomemben problem v eksperimentalni fizikalni kozmologiji.

Druga eksperimentalna opažanja je mogoče razložiti z združitvijo splošnega širjenja prostora z jedrsko in atomsko fiziko. S širjenjem vesolja se gostota energije elektromagnetnega sevanja zmanjšuje hitreje kot gostota energije snovi, saj se energija fotona zmanjšuje z njegovo valovno dolžino. Čeprav zdaj v energijski gostoti vesolja prevladuje snov, je nekoč v njem prevladovalo sevanje; poetično rečeno, vse je bila svetloba. Ko se je vesolje širilo, se je njegova energijska gostota zmanjševala in postajalo je hladnejše; tako so se lahko osnovni delci snovi stabilno povezovali v vedno večje kombinacije. Tako so na začetku obdobja, v katerem je prevladovala snov, nastali stabilni protoni in nevtroni, ki so se nato povezali v atomska jedra. Na tej stopnji je bila snov v vesolju predvsem vroča, gosta plazma negativnih elektronov, nevtralnih nevtrinov in pozitivnih jeder. Jedrske reakcije med jedri so privedle do sedanjega števila lažjih jeder, zlasti vodika, devterija in helija. Sčasoma so se elektroni in jedra združili v stabilne atome, ki so prozorni za večino valovnih dolžin sevanja; na tej točki se je sevanje ločilo od snovi in nastalo je vseprisotno, izotropno ozadje mikrovalovnega sevanja, ki ga opazujemo danes.

Na druga opažanja znana fizika ne daje jasnih odgovorov. Po prevladujoči teoriji je bilo rahlo neravnovesje med materijo in antimaterijo prisotno že ob nastanku vesolja ali pa se je razvilo zelo kmalu po njem. Čeprav sta materija in antimaterija večinoma medsebojno anihilirali, pri čemer so nastajali fotoni, je majhen ostanek materije preživel in tako je nastalo sedanje vesolje, v katerem prevladuje materija.

Številni dokazi kažejo tudi na to, da je do hitrega kozmičnega napihovanja vesolja prišlo zelo zgodaj v njegovi zgodovini (približno 10⁻³⁵ sekund po njegovem nastanku). Nedavna opazovanja tudi kažejo, da kozmološka konstanta (Λ) ni enaka nič in da v neto masno-energijski vsebnosti vesolja prevladujeta temna energija in temna snov, ki še nista bili znanstveno opredeljeni. Razlikujeta se po svojih gravitacijskih učinkih. Temna snov gravitira kot običajna snov in tako upočasnjuje širjenje vesolja; nasprotno pa temna energija pospešuje širjenje vesolja.

Nekateri menijo, da obstaja več kot eno vesolje. Menijo, da obstaja skupek vesolj, ki se imenuje multiverzum. Po definiciji nič v enem vesolju ne more vplivati na nekaj v drugem. Multiverse še ni znanstvena zamisel, ker ga ni mogoče preizkusiti. Zamisel, ki je ni mogoče preizkusiti ali ne temelji na logiki, ni znanstvena. Zato ni znano, ali je multiverzum znanstvena zamisel.

Prihodnost vesolja je skrivnost. Vendar obstaja nekaj teorij, ki temeljijo na možnih oblikah vesolja:

• Če je vesolje zaprta krogla, se bo prenehalo širiti. Vesolje se bo razširilo v nasprotno smer in bo postalo singularnost za nov veliki pok.
• Če je vesolje odprta krogla, bo to pospešilo širjenje. Po 22.000.000.000.000 (22 milijard) letih se bo vesolje s silo raztrgalo.
• Če je vesolje ploščato, se bo večno širilo. Vse zvezde bodo zaradi tega izgubile svojo energijo in postale pritlikave zvezde. Po enem letu bodo izginile tudi črne luknje.