Розмір Всесвіту: що говорить наука

Екологія життя. Наука та відкриття: Ми звикли асоціювати Всесвіт з чимось нескінченним та незбагненним. Проте сучасна наука.

Чи знаєте ви про те, що Всесвіт, який ми спостерігаємо, має досить певні межі?

Ми звикли асоціювати Всесвіт із чимось нескінченним і незбагненним. Однак сучасна наука на питання про «нескінченність» Всесвіту пропонує зовсім іншу відповідь на таке «очевидне» питання.

Згідно з сучасними уявленнями, розмір спостережуваного Всесвіту становить приблизно 45,7 мільярдів світлових років (або 14,6 гігапарсек). Але що означають ці цифри?

Кордон безмежного

Перше питання, яке спадає на думку звичайній людині – як Всесвіт взагалі не може бути нескінченним? Здавалося б, безперечним є те, що вмістилище всього сущого навколо нас не повинно мати меж. Якщо ці межі і існують, то що вони взагалі являють собою?

Припустимо, якийсь астронавт долетів до меж Всесвіту. Що він побачить перед собою? Твердий мур? Вогняний бар'єр? А що за нею – порожнеча? Інший Всесвіт? Але хіба порожнеча чи інший Всесвіт можуть означати, що ми на межі всесвіту? Адже це не означає, що там «нічого». Порожнеча та інший Всесвіт – це теж «щось». Але ж Всесвіт – це те, що містить абсолютно все «щось».

Ми приходимо до абсолютної суперечності. Виходить, кордон Всесвіту повинен приховувати від нас щось, чого не повинно бути. Або кордон Всесвіту повинен відгороджувати «все» від «чогось», але це «щось» має бути також частиною «всього». Загалом повний абсурд.

Тоді як вчені можуть заявляти про граничний розмір, масу і навіть вік нашого Всесвіту? Ці значення хоч і неймовірно великі, але все ж таки кінцеві. Наука сперечається із очевидним?

Щоб розібратися з цим, давайте спершу простежимо, як люди прийшли до сучасного розуму Всесвіту.

Розширюючи межі

Людина з незапам'ятних часів цікавилася тим, що являє собою навколишній світ. Можна не наводити приклади про три кити та інші спроби древніх пояснити світобудову. Як правило, зрештою все зводилося до того, що основою всього сущого є земна твердь. Навіть у часи античності та середньовіччя, коли астрономи мали широкі знання в закономірностях руху планет по «нерухомій» небесній сфері, Земля залишалася центром Всесвіту.

Звичайно, ще в Стародавній Греції існували ті, хто вважав те, що Земля обертається навколо Сонця. Були ті, хто говорив про безліч світів та нескінченність Всесвіту. Але конструктивні обгрунтування цим теоріям виникли лише межі наукової революції.

У 16 столітті польський астроном Микола Коперник здійснив перший серйозний прорив у пізнанні Всесвіту. Він твердо довів, що Земля є лише однією із планет, що обертаються навколо Сонця. Така система значно спрощувала пояснення такого складного і заплутаного руху планет небесною сферою.

У разі нерухомої Землі астрономам доводилося вигадувати всілякі хитромудрі теорії, що пояснюють таку поведінку планет. З іншого боку, якщо Землю прийняти рухомий, то пояснення настільки хитромудрим рухам приходить, само собою. Так, в астрономії зміцнилася нова парадигма під назвою «геліоцентризм».

Безліч Сонців

Однак навіть після цього астрономи продовжували обмежувати Всесвіт «сферою нерухомих зірок». Аж до 19 століття їм не вдавалося оцінити відстань до світил. Кілька століть астрономи безрезультатно намагалися виявити відхилення положення зірок щодо руху Землі орбітою (річні паралакси). Інструменти тих часів не дозволяли проводити такі точні виміри.

Нарешті, 1837 року російсько-німецький астроном Василь Струве виміряв паралакс α Ліри. Це ознаменувало новий крок у розумінні масштабів космосу. Тепер вчені могли сміливо говорити про те, що зірки є далекими подобами Сонця. І наше світило відтепер не центр усього, а рівноправний «мешканець» безмежного зоряного скупчення.

Астрономи ще більше наблизилися до розуміння масштабів Всесвіту, адже відстані до зірок виявилися справді жахливими. Навіть розміри орбіт планет здавалися порівняно з цим чимось нікчемним. Далі треба було зрозуміти, яким чином зірки зосереджені у Всесвіті.

Безліч Чумацьких Шляхів

Відомий філософ Іммануїл Кант ще в 1755 передбачив основи сучасного розуміння великомасштабної структури Всесвіту. Він висунув гіпотезу про те, що Чумацький Шлях є величезним зоряним скупченням, що обертається. У свою чергу, багато туманностей, що спостерігаються, також є більш віддаленими «млечними шляхами» — галактиками. Незважаючи на це, аж до 20 століття астрономи дотримувалися того, що всі туманності є джерелами зіркоутворення та входять до складу Чумацького Шляху.

Ситуація змінилася, коли астрономи навчилися вимірювати відстані між галактиками за допомогою цефеїду. Абсолютна світність зірок такого типу лежить у суворій залежності від періоду їхньої змінності.Порівнюючи їхню абсолютну світність з видимою, можна з високою точністю визначити відстань до них. Цей метод був розроблений на початку 20 століття Ейнаром Герцшрунгом та Харлоу Шелпі. Завдяки йому радянський астроном Ернст Епік у 1922 році визначив відстань до Андромеди, яка виявилася на порядок більшою за розмір Чумацького Шляху.

Едвін Хаббл продовжив починання Епіка. Вимірюючи яскравості цефеїд в інших галактиках, він виміряв відстань до них і зіставив його з червоним усуненням у їх спектрах. Так 1929 року він розробив свій знаменитий закон. Його робота остаточно спростувала думку, що зміцнилася, про те, що Чумацький Шлях є краєм Всесвіту. Тепер він був однією з багатьох галактик, які ще колись вважали його складовою. Гіпотеза Канта підтвердилася майже два століття після її розробки.

Надалі, відкритий Хабблом зв'язок відстані галактики від спостерігача щодо швидкості її віддалення від нього, дозволило скласти повноцінну картину великомасштабної структури Всесвіту. Виявилося, галактики були лише її нікчемною частиною. Вони зв'язувалися в скупчення, скупчення в скупчення. У свою чергу, надскоплення складаються у найбільші з відомих структур у Всесвіті – нитки та стіни. Ці структури, сусідячи з величезними надпустотами (війдами) і становлять великомасштабну структуру, відомої на даний момент, Всесвіту.

Очевидна нескінченність

Зі сказаного вище те, що за кілька століть наука поетапно перепорхнула від геоцентризму до сучасного розуміння Всесвіту. Однак це не дає відповіді, чому ми обмежуємо Всесвіт у наші дні. Адже досі йшлося лише про масштаби космосу, а не про саму його природу.

Першим, хто зважився довести нескінченність Всесвіту, був Ісаак Ньютон. Відкривши закон всесвітнього тяжіння, він вважав, що будь простір, звичайно, всі її тіла рано чи пізно зіллються в єдине ціле. До нього думка про нескінченність Всесвіту, якщо хтось і висловлював, то виключно у філософському ключі. Без жодних наукових обґрунтувань. Прикладом цього є Джордано Бруно. До речі, він подібно до Канта, на багато століть випередив науку. Він першим заявив, що зірки є далекими сонцями, і навколо них теж обертаються планети.

Здавалося б, сам факт нескінченності досить обґрунтований і очевидний, але переломні тенденції науки ХХ століття похитнули цю «істину».

Стаціонарний Всесвіт

Перший суттєвий крок на шляху до розробки сучасної моделі Всесвіту зробив Альберт Ейнштейн. Свою модель стаціонарного Всесвіту знаменитий фізик увів у 1917 році. Ця модель була заснована на загальній теорії відносності, розробленої ним же роком раніше. Згідно з його моделлю, Всесвіт є нескінченним у часі і кінцевим у просторі. Але, як зазначалося раніше, згідно з Ньютоном Всесвіт з кінцевим розміром повинен сколапсуватися. Для цього Ейнштейн запровадив космологічну постійну, яка компенсувала гравітаційне тяжіння далеких об'єктів.

Як би це парадоксально не звучало, саму кінцівку Всесвіту Ейнштейн нічим не обмежував. На його думку, Всесвіт є замкнутою оболонкою гіперсфери. Аналогією служить поверхня традиційної тривимірної сфери, наприклад – глобуса чи Землі. Скільки б мандрівник не подорожував Землею, він ніколи не досягне її краю. Однак це зовсім не означає, що Земля нескінченна.Мандрівник просто повертатиметься до того місця, звідки почав свій шлях.

На поверхні гіперсфери

Так само космічний мандрівник, долаючи Всесвіт Ейнштейна на зорельоті, може повернутися назад на Землю. Тільки цього разу мандрівник рухатиметься не за двовимірною поверхнею сфери, а по тривимірній поверхні гіперсфери. Це означає, що Всесвіт має кінцевий об'єм, а отже, і кінцеве число зірок і масу. Однак ні кордонів, ні якогось центру у Всесвіті не існує.

Таких висновків Ейнштейн дійшов, зв'язавши у своїй знаменитій теорії простір, час і гравітацію. До нього ці поняття вважалися відокремленими, чому і простір Всесвіту був суто евклідовим. Ейнштейн довів, що саме тяжіння є викривленням простору-часу. Це докорінно змінювало ранні уявлення про природу Всесвіту, що базується на класичній ньютонівській механіці та евклідовій геометрії.

Всесвіт, що розширюється.

Навіть сам першовідкривач «нового Всесвіту» не був чужий помилок. Ейнштейн хоч і обмежив Всесвіт у просторі, він продовжував вважати її статичною. Згідно з його моделлю, Всесвіт був і залишається вічним, і його розмір завжди залишається незмінним.

У 1922 році радянський фізик Олександр Фрідман суттєво доповнив цю модель. Згідно з його розрахунками, Всесвіт зовсім не статичний. Вона може розширюватись або стискатися з часом. Примітно те, Фрідман прийшов до такої моделі, ґрунтуючись на тій самій теорії відносності. Він зумів коректніше застосувати цю теорію, минаючи космологічну постійну.

Альберт Ейнштейн не одразу прийняв таку «поправку». На допомогу цієї нової моделі прийшло згадане раніше відкриття Хаббла.Розбігання галактик безперечно доводило факт розширення Всесвіту. Так Ейнштейну довелося визнати свою помилку. Тепер Всесвіт мав певний вік, який суворо залежить від постійної Хаббла, що характеризує швидкість її розширення.

Подальший розвиток космології

У міру того, як вчені намагалися вирішити це питання, було відкрито багато інших найважливіших складових Всесвіту та розроблено різні його моделі. Так 1948 року Георгій Гамовов ввів гіпотезу «про гарячий Всесвіт», яка згодом перетвориться на теорію великого вибуху. Відкриття 1965 року реліктового випромінювання підтвердило його припущення. Тепер астрономи могли спостерігати світло, що дійшло з того моменту, коли Всесвіт став прозорим.

Темна матерія, передбачена в 1932 Фріцом Цвіккі, отримала своє підтвердження в 1975 році. Темна матерія фактично пояснює саме існування галактик, галактичних скупчень і самої Вселенської структури загалом. Так вчені дізналися, що більшість маси Всесвіту і зовсім невидима.

Нарешті, в 1998 році в ході дослідження відстані до наднових типу Ia було відкрито, що Всесвіт розширюється із прискоренням. Цей черговий поворотний момент у науці породив сучасне розуміння природи Всесвіту.

Введений Ейнштейном і спростований Фрідманом космологічний коефіцієнт знову знайшов своє місце у моделі Всесвіту. Наявність космологічного коефіцієнта (космологічної постійної) пояснює її прискорене розширення. Для пояснення наявності космологічної постійної було введено поняття темної енергії – гіпотетичне поле, що містить велику частину маси Всесвіту. опубліковано econet.ru

Сподобалася стаття? Напишіть свою думку у коментарях.

Скільки важить весь Всесвіт: розраховуємо масу космосу

Чи замислювалися ви колись про те, скільки важить весь Всесвіт? Це досить складне питання, на яке немає однозначної відповіді. Проте, вчені запропонували кілька теорій та оцінок.

Всесвіт, як ми його бачимо, складається із зірок, галактик, темної матерії та темної енергії. Кожен із цих компонентів робить свій внесок у масу Всесвіту. Однак точно виміряти цю масу практично неможливо.

Деякі вчені вважають, що Всесвіт у цілому є «нульовою в'яткою», тобто, її загальна сума маси дорівнює нулю. Інші припускають, що вага Всесвіту може бути навіть негативною, якщо вважати її енергетичним станом.

На жаль, поки що немає однозначної відповіді на це питання. Відповідь може бути укладена в самій природі Всесвіту, яку ми поки що не повністю розуміємо. Тим не менше, вчені продовжують дослідження, щоб наблизитися до відповіді та розкрити таємниці Всесвіту.

Маса видимого Всесвіту

Маса видимого Всесвіту є однією з найзагадковіших і найцікавіших величин, про яку вчені завжди замислювалися. Відповідь на питання про те, скільки важить весь Всесвіт, неймовірно складна і неоднозначна. По-перше, це пов'язано з тим, що Всесвіт насправді є дещо складнішим, ніж просто сума видимої та невидимої матерії.

Згідно з сучасними уявленнями, видимий Всесвіт містить приблизно 100 мільярдів галактик. А кожна галактика, у свою чергу, містить мільйони чи навіть мільярди зірок. У кожного з цих об'єктів є власна маса, яка робить внесок у загальну вагу Всесвіту.

Існує кілька методів, за допомогою яких вчені намагаються розрахувати масу видимого Всесвіту.Одним із таких методів є вимірювання швидкості обертання галактик. За цим параметром можна оцінити масу галактик, а потім скласти їх маси, щоб отримати загальну масу Всесвіту.

Іншим способом визначення маси Всесвіту є вивчення гравітаційної взаємодії між галактиками. Якщо врахувати гравітаційний вплив всіх об'єктів Всесвіту, можна оцінити її загальну масу.

Вчені також використовують дані про розподіл темної матерії у Всесвіті для розрахунку її маси. Темна матерія, яка становить близько 27% усієї маси Всесвіту, надає значний гравітаційний вплив на видимі об'єкти.

• Маса зірок – близько 3 х 10^52 кілограмів
• Маса галактик - близько 6 х 10^51 кілограмів
• Маса груп і скупчень галактик – близько 2 х 10^52 кілограмів

Це величезна маса, яка може здатися неможливою для нашого сприйняття. Однак варто відзначити, що Всесвіт включає не тільки видиму матерію, але й темну енергію, яка становить близько 68% всієї маси Всесвіту і досі залишається загадкою для вчених.

Отже, маса видимого Всесвіту є вражаючою і захоплюючою, але вона лише мала складова загальної маси всього Всесвіту. Вчені продовжують досліджувати та знаходити нові способи оцінки та вимірювання маси Всесвіту, щоб розкрити всі її таємниці. Захоплююча подорож по простору триває, і ми можемо бути впевнені, що ще багато чого доведеться відкрити і дізнатися про наш дивовижний Всесвіт.

Темна матерія та темна енергія: загадкові сили у Всесвіті

Темна матерія: пояснення невидимої сили

Але що це за загадкове речовина? Ми не знаємо точного складу темної матерії, але припускаємо, що це може бути якийсь фундаментальний елементарний частинок, який не взаємодіє з електромагнітним випромінюванням. В основному вона взаємодіє лише через гравітацію, і, можливо, через досі невідомі сили.

Близько 27% Всесвіту, за останніми даними, становить темна матерія. І хоча ми ще не можемо повністю зрозуміти її природу та властивості, ми впевнені, що вона відіграє важливу роль в еволюції та структурі Всесвіту.

Темна енергія: джерело прискореного розширення

Темна енергія — ще одне цікаве поняття, яке викликає суперечки та плітки у науковій спільноті. Її існування було запропоновано для пояснення прискореного розширення Всесвіту — факту, що галактики та інші великомасштабні структури віддаляються один від одного все швидше і швидше.

Але що таке темна енергія? На даний момент ми не знаємо точної відповіді, і це дає нам багато місця для найсміливіших гіпотез. Одна з найпопулярніших теорій пов'язує її із квантовими флуктуаціями у вакуумі. Інша передбачає існування нового поля, що заповнює простір і викликає негативний тиск, що призводить до відштовхування та прискореного розширення.

Згідно з останніми вимірами, темна енергія становить близько 68% Всесвіту, що робить її домінуючою силою в нашому Всесвіті. Це чудовий приклад того, як мала непізнана складова Всесвіту може впливати на її структуру та еволюцію.

Ролі темної матерії та темної енергії

Таким чином, темна матерія і темна енергія є двома різними, але пов'язаними концепціями, які допомагають нам пояснити і зрозуміти Всесвіт. на розширення Всесвіту загалом, роблячи його прискореним.

У той час як ми все ще маємо багато питань і суперечливих ідей про природу темної матерії та темної енергії, їх існування забезпечує нам важливі ключі до розуміння фундаментальних принципів та законів Всесвіту. Вивчення цих загадкових сил може пролити світло на те, як наш Всесвіт сформувався і як вона розвиватиметься у майбутньому.

Оцінка загальної маси Всесвіту

Одним із способів визначення маси Всесвіту є вимірювання та оцінка кількості видимої матерії. Цей метод базується на спостереженнях галактик, зірок та інших об'єктів, які можна побачити у нашому Всесвіті. частина маси Всесвіту.

Інший підхід до оцінки маси Всесвіту заснований на вивченні великомасштабної структури Всесвіту.

В результаті сучасні оцінки загальної маси Всесвіту коливаються в районі 10^53-10^54 кілограмів. Це вражаюча цифра, яка демонструє колосальні масштаби нашого Всесвіту.

Схожі записи:

Як астрономи зважили Всесвіт

Маса - одна з найбільш важливих характеристик фізичних тіл ... і, мабуть, одна з найзагадковіших. І не тільки тому, що значна частина людства постійно страждає на питання, як позбутися зайвої ваги. Вченим досі не вдалося повністю пояснити феномен маси. Саме тому передбачення та відкриття «відповідальної» за її виникнення частки бозона Хіггса в 2013 році було відзначено Нобелівською премією. Однак, навіть не до кінця розуміючи її природу, ми вже навчилися досить точно визначати масу об'єктів у найширшому діапазоні - від електрона до всього Всесвіту.

Скільки важить астронавт

Коли ми після ситної вечері стаємо на електронні ваги, то визначаємо не свою масу, а силу, з якою наше тіло притягує планета Земля. На інших планетах та їхніх супутниках таке зважування дасть різні результати: наприклад, на Марсі те саме тіло матиме вага майже втричі менше, на Місяці — вшестеро. Неважко здогадатися, що у невагомості такий прилад покаже «нуль», незалежно від того, хто на нього «встане». Як же зважуються, наприклад, члени екіпажів Міжнародної космічної станції?

Астронавт Гаррет Рейзман (Garrett Reisman) на пристрої для зважування, встановленому в сервісному модулі «Зірка» російського сегменту МКС

Щоб відповісти на це питання, треба згадати, що маса – це міра інертності тіла, тобто його здатності чинити опір дії зовнішньої сили. Більш важкий (більш потужний) об'єкт під впливом тієї ж сили відчуває менше прискорення, ніж більш легкий (менш потужний). Отже, знаючи її величину та вимірявши прискорення тіла, можна за допомогою першого закону Ньютона обчислити його масу.Такий «прискорювач» із відповідними датчиками встановлено на МКС, і космонавти регулярно користуються його послугами. Щоправда, «механіка» цього пристрою дещо складніше, але вона забезпечує прийнятну точність та відтворюваність результатів.

Слід зазначити, що з формулювання закону всесвітнього тяжіння у фізиці існує два типи маси. Про першу — інерційну — ми щойно розповіли. Друга — гравітаційна — визначає, наскільки тіло буде притягувати до себе інші тіла під дією всесвітнього тяжіння. Вчені дуже довго намагалися з'ясувати, чи завжди величина цих двох мас для одного і того ж об'єкта збігається і чи не можуть вони за якихось обставин відрізнятися. Лише XX столітті, після появи ейнштейновской теорії відносності, «масовий парадокс» вдалося частково дозволити. Складність дослідження цього питання, серед іншого, пов'язана з тим, що для великих тіл (зірок, планет, їх супутників) практично у всіх випадках можна виміряти лише гравітаційну масу: важіль, за допомогою якого Архімед хотів підняти Землю, на жаль, існує тільки в уяві вчених та художників.

Експеримент Кевендіша

Зважити Землю вперше спробував британський фізик Генрі Кевендіш (Henry Cavendish). У серії дослідів, проведених у 1797-1798 роках, він використав удосконалений ним крутильний маятник з попередньо виміряним показником пружності, щоб зареєструвати зміщення закріплених на його кінцях менших металевих кульок при наближенні до них двох набагато більш важких і великих свинцевих куль8 (масою ).Знаючи силу, з якою малі кулі притягуються до великих, а великі кулі — до Землі, вчений за допомогою не дуже складного рівняння зміг обчислити її середню щільність, яка дорівнювала 5,448±0,033 г/см³ (це менше ніж на відсоток відрізняється від сучасного значення ). Такий результат дозволив зробити висновок, що наша планета складається переважно з металів, а вода і кам'янисті породи займають у її складі порівняно невелику частку.

Схема експерименту Кевендіша щодо визначення середньої щільності Землі

Оскільки величина радіуса Землі (а отже, її обсяг) за часів Кевендіша була вже досить добре відома, далі вже не становило труднощів обчислити її масу, а знаючи прискорення вільного падіння біля земної поверхні, можна було дізнатися значення гравітаційної постійної — важливої ​​складової формули закону всесвітнього тяжіння. Подальше її уточнення пов'язане з вивченням руху Місяця та виміром середньої відстані до нього. І це, своєю чергою, дозволило поширити методи «зважування» на Сонце та інші планети Сонячної системи.

За допомогою супутників

Нагадаємо, що гравітаційна маса визначає, наскільки сильно притягуються один до одного два об'єкти, що знаходяться на певній відстані. Цю силу, зокрема, можна визначити, знаючи період звернення супутника планети (природного чи штучного) і велику піввісь його орбіти. Наприкінці XIX століття вже були з прийнятною точністю відомі середні відстані всіх планет від Сонця, завдяки чому вдалося визначити масу нашої зірки — вона становить неймовірні 2×10³ кг (двійка із тридцятьма нулями). Також більш-менш точно «зважили» планети, які мають супутники.Масу Меркурія та Венери оцінили за гравітаційними збуреннями, які вони роблять на інші тіла Сонячної системи. Точна її величина стала відомою, коли до цих планет полетіли космічні апарати.

Чим більша швидкість планети (або її супутника), тим більшою має бути сила тяжіння з боку центрального тіла, щоб змусити її рухатися замкненою орбітою. Розрахувавши цю силу та знаючи радіус орбіти, можна визначити масу центрального тіла

Оцінки маси карликових планет, комет та астероїдів досі не відрізняються особливою точністю — крім тих, околиці яких відвідали автоматичні розвідники. Навіть якщо земні посланці проводили дослідження з прогонових траєкторій, сила тяжіння малих тіл викликала незначні відхилення зондів від «незбуреного» шляху та зміни їхньої швидкості. Їх реєстрували за доплерівським зрушенням частоти бортових радіопередавачів, що дозволяло розрахувати масу об'єкта.

Ще один метод приблизного визначення маси астероїдів і кометних ядер - вимірювання швидкості обертання навколо своєї осі. Оскільки більшість з них є купою уламків, що тримаються разом майже виключно за рахунок сили тяжіння, для того, щоб таке тіло не розірвало відцентровими силами, воно повинно мати масу не нижче за певну межу.

Насправді було б не зовсім правильно стверджувати, що під дією сили всесвітнього тяжіння один об'єкт обертається навколо іншого: у всіх випадках обертання відбувається навколо загального центру мас. У подвійних зоряних системах, де фізичні параметри компонентів не дуже відрізняються, він розташований у просторі між ними.Період звернення в таких системах дозволяє розрахувати їхню сумарну масу, а для «зважування» кожного компонента потрібно знати його відносну відстань до центру мас (чим вона менша — тим компонент важчий)

Цікаво, що спеціалісти-балістики, які займаються розрахунками руху космічних апаратів, у своїх обчисленнях не користуються масами небесних тіл. Їм зручніше використовувати величину під назвою «гравітаційний параметр» — добуток маси планети (зірки, астероїда тощо) та гравітаційної константи. Цей параметр вдається виміряти з точністю до 9-ї цифри або ще точніше: наприклад, для Сонця його величина відома до 12-ї цифри, і навіть вдалося зареєструвати її поступове зменшення внаслідок втрати сонячної маси. Справа в тому, що через багато років після відкриття закону всесвітнього тяжіння вчені не змогли з відповідною точністю визначити основну константу, яка входить до його формули. Це пов'язано, між іншим, і про те, що гравітація — найслабший із усіх відомих нам видів взаємодії фізичних тіл.

Загадка Чумацького Шляху

Коли астрономи усвідомили, що Сонце входить до складу величезної зіркової системи, яку пізніше назвали Галактикою, почали шукати способи її зважити. Спочатку це було неможливо, оскільки ми не знали ні швидкості обертання нашої зірки навколо галактичного центру, ні навіть її положення щодо нього (якийсь час вважалося, що Сонце знаходиться десь поблизу центру). Лише у 30-ті роки минулого століття американський астроном Харлоу Шеплі (Harlow Shapley) приблизно визначив це становище та зробив перші оцінки розмірів Чумацького Шляху, але до визначення його маси було ще далеко.

Поблизу центрів галактик лінійні швидкості зірок порівняно невеликі, оскільки вони рухаються під впливом гравітації малої центральної частини галактичного диска. Далі ці швидкості починають зростати, але в деякій відстані за законами Кеплера повинні почати зменшуватися. Але в більшості зіркових систем такого зменшення практично не спостерігається. Для пояснення цього факту астрономи висунули гіпотезу темної матерії — невідомої речовини, яка взаємодіє з видимою матерією виключно гравітаційно.

Головна складність полягає в тому, що тривалість одного обороту Сонця навколо галактичного центру перевищує 200 млн. років, а перші телескопи були винайдені трохи більше чотирьох століть тому. Ще менше часу минуло після винаходу спектроскопів, які дозволили виміряти швидкості зірок та скласти загальну картину їхнього руху в Галактиці. Тут виникли перші проблеми. У Сонячній системі середня швидкість руху по орбіті навколо центрального тіла завжди обернено пропорційна квадратному кореню із середнього радіусу цієї орбіти. У межах Чумацького Шляху цього закону дотримуватись складніше, але, починаючи з певної відстані, він теж має почати «працювати». Однак, починаючи приблизно з 10 тисяч світлових років від галактичного центру, лінійні швидкості зірок та їх скупчень майже перестають змінюватись. Пізніше виявилося, що подібні «невідповідності» спостерігаються у багатьох інших галактиках. Пояснити їх уже відкритими явищами чи процесами не вдалося. Тоді астрономи висунули гіпотезу про існування досі невідомого масивного агента, що «притягує», недоступного для спостережень в жодному діапазоні електромагнітних хвиль.Так ми дізналися про таємничу «темну матерію».

Загалом в результаті вивчення динаміки великої кількості зірок, «поведінки» міжзоряної матерії та карликових галактик, розташованих поблизу Чумацького Шляху та його супутників, вчені визначили, що загальна маса нашої зіркової системи в межах сфери радіусом 130 тисяч світлових років від її центру становить приблизно півтора трильйони сонячних мас, або 3×10⁴² кг (трійка з 42 нулями). І це ще далеко не найбільша галактика у Всесвіті!

Зважити все

На перший погляд може здатися, що визначити масу нескінченного Всесвіту неможливо, і взагалі він теж має бути нескінченним. Але це зовсім так. Хоча наш світ і не має фізичної межі (і до того ж, як довели космологи ще в 20-ті роки минулого століття, він постійно розширюється), кількість речовини, що має масу, в ній обмежена і навіть потроху зменшується — внаслідок «вигоряння» в термоядерних реакціях у надрах зірок.

Звичайно, пристосувати для зважування Всесвіту "важіль Архімеда" ми не можемо. Як і визначити її масу за швидкістю тіл, що обертаються навколо неї (оскільки всі відомі тіла є частиною Всесвіту). Проте вже сам факт її існування дає можливість встановити певні обмеження на «вселенську масу»: якби вона була надто великою — всі масивні тіла притяглися б один до одного ще на ранніх стадіях вселенської еволюції.

Щоб визначити нижній кордон, астрономи спробували «зважити» всю речовину, яка перебуває у сфері досяжності сучасних засобів спостережень — зірки, галактики, міжгалактичні газові хмари… Підрахунки постійно ускладнювалися з появою нових компонентів, «побачити» які неможливо чи майже неможливо, але вони всі і складають солідну частину «масового балансу»: екзопланети, «темна матерія», нейтрино…

Найдокладнішу інформацію вдалося отримати за допомогою американського супутника WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) та європейської обсерваторії Planck, які вивчали реліктове мікрохвильове випромінювання – «залишки спалаху» Великого вибуху, внаслідок якого утворився наш світ. Невеликі варіації цього випромінювання, пов'язані з початковими неоднорідностями первинної матерії і проходженням світла через масштабні космологічні структури, що утворилися пізніше, включають дані про масу об'єктів, з якими довелося зіткнутися реліктовим фотонам. Проаналізувавши отримані результати, астрономи підрахували середню щільність Всесвіту: він еквівалентний масі шести протонів на кубічний метр.

Насправді це значення технічно є щільністю енергії (її можна «перерахувати» в масу за відомою формулою Ейнштейна E = mc², і такі перетворення дійсно відбуваються в реальному світі). Воно включає в себе не тільки «видиму» речовину, відому також під назвою «баріонна матерія», але й уже згадану темну матерію, і ще загадковіший компонент світобудови, що змушує Всесвіт розширюватися з прискоренням — темну енергію.

Якщо цю густину помножити на обсяг простору, звідки світло вже встигло дійти до наземних спостерігачів за 13,8 млрд років (у стільки зараз оцінюється вік Всесвіту), ми отримаємо 10 53 кг — одиницю з 53 нулями. Навіть якщо враховувати лише баріонну матерію, якій у складі Всесвіту, згідно з останніми даними, всього 5%, отримане значення все одно буде величезним. Звичайно, всі ці дані ще уточнюватимуть, але навряд чи нові цифри виявляться відмінними від уже відомих більш ніж на порядок. А знаючи загальну масу нашого світу, вчені зможуть краще зрозуміти його еволюцію як у минулому, так і в проекції на майбутнє.