Mi a világegyetem? Definíció, szerkezete és eredete

Az Univerzum szó az ófrancia Univers szóból származik, amely a latin universum szóból ered. A latin szót Cicero és későbbi latin szerzők sokszor ugyanabban az értelemben használták, mint a mai angol szót.

Az unvorsum egy másik értelmezése (értelmezési módja): "minden egyként forog" vagy "minden egyként forog". Ez az Univerzum egy korai görög modelljére utal. Ebben a modellben minden anyag a Föld köré összpontosuló, forgó gömbökben volt; Arisztotelész szerint a legkülső gömb forgása volt felelős a benne lévő minden mozgásáért és változásáért. A görögök számára természetes volt, hogy feltételezték, hogy a Föld mozdulatlan, az égitestek pedig a Föld körül forognak, mert az ellenkezőjének bizonyításához gondos csillagászati és fizikai mérésekre (például a Foucault-ingára) van szükség.

Az ókori görög filozófusok legelterjedtebb kifejezése az "Univerzumra" Püthagorásztól kezdve a το παν (A Minden) volt, amelyet úgy határoztak meg, mint minden anyag (το ολον) és minden tér (το κενον).

Legszélesebb értelemben

Az Univerzum legtágabb szóhasználatát Johannes Scotus Eriugena középkori filozófus De divisione naturae című művében találjuk, aki egyszerűen úgy határozta meg, hogy az Univerzum minden: minden, ami létezik, és minden, ami nem létezik.

Eriugena definíciója nem veszi figyelembe az időt; így az ő definíciója magában foglal mindent, ami létezik, létezett és létezni fog, valamint mindent, ami nem létezik, soha nem létezett és soha nem fog létezni. Ezt a mindent átfogó definíciót a legtöbb későbbi filozófus nem fogadta el, de valami hasonlót a kvantumfizikában igen.

Meghatározás mint valóság

Általában úgy gondolják, hogy az Univerzum minden, ami létezik, létezett és létezni fog. E meghatározás szerint az Univerzum két elemből áll: a térből és az időből, amelyeket együtt téridőnek vagy vákuumnak nevezünk; valamint a téridőt elfoglaló anyagból és az energia különböző formáiból, valamint a lendületből. A kétféle elem a fizikai törvények szerint viselkedik, amelyekben leírjuk, hogy az elemek hogyan hatnak egymásra.

Az Univerzum kifejezés hasonló meghatározása: minden, ami az idő egyetlen pillanatában létezik, például a jelenben vagy az idő kezdetén, mint a "Az Univerzum 0 méretű volt" mondatban.

Arisztotelész A fizika című könyvében Arisztotelész a το παν-t (mindent) három, nagyjából analóg elemre osztotta: anyag (az anyag, amelyből az Univerzum áll), forma (az anyag elrendezése a térben) és változás (az anyag létrehozása, megsemmisítése vagy tulajdonságainak megváltoztatása, és hasonlóképpen a forma megváltoztatása). A fizikai törvények voltak azok a szabályok, amelyek az anyag, a forma és azok változásainak tulajdonságait szabályozták. Későbbi filozófusok, mint Lukrétiusz, Averroész, Avicenna és Baruch Spinoza megváltoztatták vagy finomították ezeket a felosztásokat. Például Averroes és Spinoza szerint az Univerzumot aktív elvek irányítják, amelyek a passzív elemekre hatnak.

Tér-idő meghatározások

Lehetséges olyan téridőket alkotni, amelyek mindegyike létezik, de nem képesek megérinteni, mozogni vagy megváltozni (kölcsönhatásba lépni egymással). Ezt könnyen elképzelhetjük különálló szappanbuborékok csoportjaként, amelyben az egyik szappanbuborékban élők nem léphetnek kölcsönhatásba a többi szappanbuborékban élőkkel. Egy elterjedt terminológia szerint a téridő minden egyes "szappanbuborékát" univerzumnak nevezzük, míg a mi sajátos téridőnket Univerzumnak, ahogyan a Holdunkat is Holdnak nevezzük. E különálló téridők egészét multiverzumnak nevezzük. Elvileg a többi, egymással nem összefüggő világegyetemben a téridő különböző dimenziósságai és topológiái, az anyag és az energia különböző formái, valamint különböző fizikai törvények és fizikai állandók lehetnek, bár ezek a lehetőségek csak spekulációk.

Megfigyelhető valóság

Egy még szűkebb meghatározás szerint az Univerzum minden, ami a mi összekapcsolt téridőnkben van, és esélye lehet arra, hogy kölcsönhatásba lépjen velünk, és fordítva.

A relativitáselmélet általános elképzelése szerint a fény véges sebessége és a tér folyamatos tágulása miatt a tér egyes régiói még az Univerzum fennállása alatt sem léphetnek kölcsönhatásba a miénkkel. Például a Földről küldött rádióüzenetek soha nem érhetik el a világűr egyes régióit, még akkor sem, ha az Univerzum örökké létezne; a tér gyorsabban tágulhat, mint ahogy a fény képes áthaladni rajta.

Érdemes hangsúlyozni, hogy ezeket a távoli térrészeket ugyanúgy létezőnek és a valóság részének tekintjük, mint mi magunk, de mégsem léphetünk velük kölcsönhatásba, még elvileg sem. Azt a térbeli régiót, amelyen belül hatással lehetünk rájuk és hatással lehetnek ránk, megfigyelhető világegyetemnek nevezzük.

Szigorúan véve a megfigyelhető világegyetem a megfigyelő helyétől függ. Egy megfigyelő az utazás révén a téridő nagyobb területével kerülhet kapcsolatba, mint egy mozdulatlan megfigyelő, így az előbbi számára a megfigyelhető univerzum nagyobb, mint az utóbbi számára. Ennek ellenére még a leggyorsabban utazó sem biztos, hogy az egész térrel kapcsolatba tud lépni. Általában a "megfigyelhető világegyetem" alatt a Tejútrendszer galaxisban lévő nézőpontunkból látható világegyetemet értjük.

Az Univerzum hatalmas és valószínűleg végtelen térfogatú. A látható anyag legalább 93 milliárd fényévnyi területen terül el. Összehasonlításképpen: egy tipikus galaxis átmérője mindössze 30 000 fényév, és két szomszédos galaxis közötti tipikus távolság mindössze 3 millió fényév. A mi Tejútrendszerünk galaxisa például nagyjából 100 000 fényév átmérőjű, a legközelebbi testvérgalaxisunk, az Androméda-galaxis pedig nagyjából 2,5 millió fényévre található. A megfigyelhető világegyetem több mint 2 trillió (10¹² ) galaxist tartalmaz, és összességében a becslések szerint 1×10²⁴ csillagot (több csillagot, mint a Föld bolygó összes homokszemcséje).

A tipikus galaxisok a törpegalaxisoktól kezdve a tízmillió (10⁷ ) csillagot tartalmazó törpegalaxisoktól az egybillió (10¹² ) csillagot tartalmazó óriásokig terjednek, amelyek mind a galaxis tömegközéppontja körül keringenek. Így a fenti számokból kiindulva egy nagyon durva becslés szerint körülbelül egy hatmilliárd (10²¹ ) csillag van a megfigyelhető világegyetemben; bár az Ausztrál Nemzeti Egyetem csillagászai által 2003-ban végzett tanulmány 70 hatmilliárd (7 x 10 ) csillagot állapított meg. ²²

A 300 millió fényévnél nagyobb távolságokra átlagolva a látható anyag az egész világegyetemben eloszlik. Kisebb hosszméreteken azonban megfigyelhető, hogy az anyag "csomókba" tömörül, sok atom csillagokká, a legtöbb csillag galaxisokká, a legtöbb galaxis galaxiscsoportokká és halmazokká, végül pedig a legnagyobb méretű struktúrák, mint például a galaxisok Nagy Fala, tömörülnek.

Az Univerzum jelenlegi általános sűrűsége nagyon alacsony, nagyjából 9,9 × 10⁻³⁰ gramm/köbcentiméter. Úgy tűnik, hogy ez a tömeg-energia 73%-ban sötét energiából, 23%-ban hideg sötét anyagból és 4%-ban közönséges anyagból áll. Az atomok sűrűsége körülbelül egyetlen hidrogénatom jut minden négy köbméter térfogatra. A sötét energia és a sötét anyag tulajdonságai nem ismertek. A sötét anyag lassítja az Univerzum tágulását. A sötét energia gyorsabbá teszi a tágulást.

Az Univerzum öreg, és változik. Az Univerzum korát a kozmikus mikrohullámú háttérsugárzásból megfigyelt adatok alapján 13,798 ± 0,037 milliárd évesre becsüljük. Független becslések (amelyek olyan méréseken alapulnak, mint a radioaktív kormeghatározás) egyetértenek, bár kevésbé pontosak, 11-20 milliárd év között mozognak. 13-15 milliárd év között.

A világegyetem történelme során nem volt mindig ugyanolyan. Ez az egyre nagyobbá válás magyarázza, hogy a Földhöz kötődő emberek hogyan láthatják egy 30 milliárd fényévre lévő galaxis fényét, még akkor is, ha az a fény csak 13 milliárd évet utazott; maga a köztük lévő tér tágult. Ez a tágulás összhangban van azzal a megfigyeléssel, hogy a távoli galaxisok fénye vöröseltolódott; a kibocsátott fotonok hosszabb hullámhosszra és alacsonyabb frekvenciára nyúltak az útjuk során. Az Ia típusú szupernóvák tanulmányozása és más adatok alapján a térbeli tágulás üteme egyre gyorsul.

A különböző kémiai elemek - különösen a legkönnyebb atomok, mint a hidrogén, a deutérium és a hélium - relatív mennyisége látszólag azonos az egész világegyetemben és az általunk ismert történelem során. Úgy tűnik, hogy a világegyetemben sokkal több az anyag, mint az antianyag. Úgy tűnik, hogy az Univerzumnak nincs nettó elektromos töltése. A gravitáció a domináns kölcsönhatás a kozmológiai távolságokban. Úgy tűnik, hogy az Univerzumnak nincs nettó impulzusa vagy szögimpulzusa. A nettó töltés és impulzus hiánya várható, ha a világegyetem véges.

Az Univerzum látszólag sima tér-idő kontinuummal rendelkezik, amely három térbeli és egy időbeli (idő) dimenzióból áll. A tér átlagosan nagyon közel lapos (közel nulla görbületű), ami azt jelenti, hogy az euklideszi geometria kísérletileg nagy pontossággal igaz az Univerzum nagy részében. A világegyetem azonban több dimenzióval is rendelkezhet, és a téridőnek többszörösen összefüggő globális topológiája lehet.

Az Univerzumban mindenütt ugyanazok a fizikai törvények és fizikai állandók érvényesek. A fizika uralkodó Standard Modellje szerint minden anyag a leptonok és kvarkok három generációjából áll, amelyek mindegyike fermion. Ezek az elemi részecskék legfeljebb három alapvető kölcsönhatáson keresztül lépnek kölcsönhatásba egymással: az elektromágnesességet és a gyenge magerőt magában foglaló elektrogyenge kölcsönhatás; a kvantumkromodinamika által leírt erős magerő; és a gravitáció, amelyet jelenleg az általános relativitáselmélet ír le legjobban.

A speciális relativitáselmélet az egész világegyetemben érvényes a helyi térben és időben. Egyébként az általános relativitáselmélet érvényes. Nincs magyarázat arra, hogy a fizikai állandók, mint például a Planck-állandó h vagy a gravitációs állandó G, milyen különleges értékeket vesznek fel az egész világegyetemünkben. Számos megőrzési törvényt azonosítottak, mint például a töltésmegőrzést, az impulzusmegőrzést, a szögimpulzusmegőrzést és az energia megőrzését.

Általános relativitáselmélet

A világegyetem múltjának és jövőjének pontos előrejelzéséhez pontos gravitációs elméletre van szükség. A rendelkezésre álló legjobb elmélet Albert Einstein általános relativitáselmélete, amely eddig minden kísérleti vizsgálaton megfelelt. Mivel azonban kozmológiai hosszúsági skálákon nem végeztek szigorú kísérleteket, az általános relativitáselmélet elképzelhető, hogy pontatlan. Mindazonáltal úgy tűnik, hogy előrejelzései összhangban vannak a megfigyelésekkel, így nincs okunk más elméletet elfogadni.

Az általános relativitáselmélet tíz nemlineáris parciális differenciálegyenletet ír elő a téridő metrikájára (Einstein mezőegyenletek), amelyeket a tömeg-energia és az impulzus eloszlásából kell megoldani az univerzumban. Mivel ezek pontos részletei nem ismertek, a kozmológiai modellek a kozmológiai elven alapulnak, amely szerint a világegyetem homogén és izotróp. Ez az elv tulajdonképpen azt állítja, hogy a világegyetemet alkotó különböző galaxisok gravitációs hatása egyenértékű a világegyetemben egyenletesen eloszló, azonos átlagos sűrűségű finom por gravitációs hatásával. Az egyenletes por feltételezése megkönnyíti az Einstein-féle mezőegyenletek megoldását, és a világegyetem múltjának és jövőjének előrejelzését kozmológiai időskálán.

Einstein mezőegyenletei tartalmaznak egy kozmológiai állandót (Lamda: Λ), amely az üres tér energiasűrűségéhez kapcsolódik. Előjelétől függően a kozmológiai állandó vagy lassítja (negatív Λ), vagy gyorsítja (pozitív Λ) a világegyetem tágulását. Bár sok tudós, köztük Einstein is, azt feltételezte, hogy a Λ nulla, az Ia típusú szupernóvák legújabb csillagászati megfigyelései nagy mennyiségű sötét energiát mutattak ki, amely gyorsítja a világegyetem tágulását. Az előzetes vizsgálatok szerint ez a sötét energia pozitív Λ-hez kapcsolódik, bár alternatív elméleteket még nem lehet kizárni.

Big Bang modell

Az uralkodó ősrobbanás-modell számos fent leírt kísérleti megfigyelésre ad magyarázatot, mint például a galaxisok távolságának és vöröseltolódásának összefüggése, a hidrogén:hélium atomok univerzális aránya és a mindenütt jelenlévő, izotróp mikrohullámú sugárzási háttér. Amint fentebb említettük, a vöröseltolódás a tér metrikus tágulásából ered; ahogy maga a tér tágul, úgy nő a térben utazó foton hullámhossza is, csökkentve annak energiáját. Minél régebb óta utazik egy foton, annál nagyobb táguláson ment keresztül; ezért a távolabbi galaxisokból származó régebbi fotonok a leginkább vöröseltolódottak. A távolság és a vöröseltolódás közötti összefüggés meghatározása fontos probléma a kísérleti fizikai kozmológiában.

Más kísérleti megfigyelések a tér általános tágulásának a nukleáris fizikával és az atomfizikával való kombinálásával magyarázhatók. A világegyetem tágulásával az elektromágneses sugárzás energiasűrűsége gyorsabban csökken, mint az anyagé, mivel a foton energiája a hullámhosszával együtt csökken. Így, bár a világegyetem energiasűrűségét most az anyag uralja, egykor a sugárzás uralta; költői nyelven szólva, minden fény volt. Ahogy a világegyetem tágult, az energiasűrűsége csökkent, és egyre hűvösebb lett; miközben ez így történt, az anyag elemi részecskéi egyre nagyobb kombinációkba tudtak stabilan társulni. Így az anyag uralta korszak elején stabil protonok és neutronok alakultak ki, amelyek aztán atommagokká társultak. Ebben a szakaszban a világegyetemben az anyag főként negatív elektronokból, semleges neutrínókból és pozitív atommagokból álló forró, sűrű plazma volt. Az atommagok közötti nukleáris reakciók vezettek a könnyebb atommagok, különösen a hidrogén, a deutérium és a hélium jelenlegi bőségéhez. Végül az elektronok és az atommagok stabil atomokká egyesültek, amelyek a legtöbb hullámhosszúságú sugárzás számára átlátszóak; ekkor a sugárzás levált az anyagról, és kialakult a ma megfigyelhető mikrohullámú sugárzás mindenütt jelenlévő, izotróp háttere.

Más megfigyelésekre az ismert fizika nem ad egyértelmű választ. Az uralkodó elmélet szerint a világegyetem keletkezésekor az anyagnak az antianyaggal szembeni enyhe egyensúlyhiánya volt jelen, vagy nagyon röviddel azután alakult ki. Bár az anyag és az antianyag nagyrészt megsemmisítette egymást, fotonokat hozva létre, egy kis anyagmaradvány megmaradt, így alakult ki a jelenlegi anyagdominált világegyetem.

Több bizonyíték is arra utal, hogy a világegyetem történetében nagyon korán (nagyjából 10⁻³⁵ másodperccel a keletkezése után) gyors kozmikus infláció következett be. A legújabb megfigyelések arra is utalnak, hogy a kozmológiai állandó (Λ) nem nulla, és hogy a világegyetem nettó tömeg-energia tartalmát egy tudományosan még nem jellemzett sötét energia és sötét anyag uralja. Ezek gravitációs hatásukban különböznek egymástól. A sötét anyag a közönséges anyaghoz hasonlóan gravitál, és így lassítja a világegyetem tágulását; ezzel szemben a sötét energia a világegyetem tágulásának felgyorsítását szolgálja.

Egyesek úgy gondolják, hogy egynél több világegyetem létezik. Úgy gondolják, hogy létezik egy multiverzumnak nevezett univerzumok összessége. A definíció szerint nincs mód arra, hogy az egyik univerzumban lévő valami hatással legyen egy másik univerzumban lévő dologra. A multiverzum még nem tudományos elképzelés, mert nincs mód a tesztelésére. Egy olyan elképzelés, amelyet nem lehet tesztelni, vagy amely nem logikán alapul, nem tudomány. Tehát nem tudni, hogy a multiverzum tudományos elképzelés-e.

A világegyetem jövője rejtély. Van azonban néhány elmélet, amely a világegyetem lehetséges alakzatain alapul:

• Ha a világegyetem egy zárt gömb, akkor megáll a tágulás. A világegyetem ennek ellenkezőjét fogja tenni, és egy újabb ősrobbanás szingularitásává válik.
• Ha a világegyetem egy nyitott gömb, akkor ez felgyorsítja a tágulást. 22.000.000.000 (22 milliárd) év múlva a világegyetem szétszakad az erővel.
• Ha a világegyetem lapos, akkor örökké tágulni fog. Ehhez minden csillag elveszíti az energiáját, és törpecsillaggá válik. Egy gugli év múlva a fekete lyukak is eltűnnek.