El origen del universo
——El "Tao Te Ching" de Laozi
Antes del nacimiento del universo, no había tiempo, ni espacio, ni materia, ni energía. Hace unos 654,38+500 millones de años, un punto infinitesimal explotó en el "vacío" del cielo. A partir de este momento se produjo materia y energía, lo que fue el Big Bang que creó el universo.
El universo recién nacido era caliente y denso. A medida que el universo se expandió rápidamente, su temperatura bajó rápidamente. Después del primer segundo, la temperatura del universo descendió a unos 100 mil millones de grados. El universo en este momento es una sopa de partículas elementales formadas por protones, neutrones y electrones. A medida que la sopa continúa enfriándose, comienzan a ocurrir reacciones nucleares que producen varios elementos. Las partículas de estas sustancias se atraen y fusionan entre sí, formando grupos cada vez más grandes, y poco a poco evolucionan hasta convertirse en galaxias, estrellas y planetas. También aparecen fenómenos de vida en cada uno de los cuerpos celestes. Entonces, finalmente nacieron los humanos que podían comprender el universo. Esta imagen del Big Bang es actualmente la explicación más probable del origen del universo y se denomina "modelo del Big Bang". La teoría del Big Bang nació en la década de 1920 y fue complementada y desarrollada por Gamov y otros en la década de 1940, pero sigue siendo desconocida. No fue hasta la década de 1950 que la gente empezó a prestar mucha atención a esta teoría, pero la encontraron divertida y poco convincente. La gente prefiere pensar que el universo es estable y eterno.
Sin embargo, cada vez hay más pruebas de que el modelo del Big Bang es científicamente sólido. Debemos creer que el universo tiene un principio y un fin. Proviene de la "nada" y eventualmente regresará a la "nada". Universo: ¿Puede tener un principio o un final?
Durante la mayor parte de la historia de la humanidad, los problemas de la creación se dejaron en manos de Dios. ¿Dónde se originó el universo? ¿Dónde está el punto final? ¿Cómo surgió la vida? ¿Cómo aparecieron los humanos? Muchas religiones pueden dar respuestas sistemáticas a estas preguntas. En cuanto a de dónde viene Dios, no se debe hacer esta pregunta.
Sólo en los últimos siglos la gente ha empezado a dejar de lado a Dios y a pensar en los orígenes del mundo desde una perspectiva distinta a la religiosa. Esto deja una cuestión de principio importante por resolver: ¿existió el universo desde siempre o tuvo un comienzo?
Estas dos afirmaciones han desconcertado durante mucho tiempo a científicos, filósofos y teólogos, y son aún más difíciles de entender para la gente corriente. Suponiendo que el universo no tiene origen en el tiempo, es decir, siempre ha existido en el pasado, entonces la edad del universo es infinita. El concepto de infinito marea a la gente: dado que ya es tiempo infinito, ¿cuál es nuestro "ahora"? Y si el universo tuvo un comienzo, de repente surgió de la nada. ¿Qué pasa con este momento inicial? Es realmente difícil entender estas cosas con el sentido común adquirido por el ser humano en su corta vida. Sin embargo, podemos buscar alguna evidencia científica. Una suposición básica del modelo del Big Bang es que la edad del universo es finita. La razón directa de esta convincente afirmación proviene de la segunda ley de la termodinámica, que es la ley más básica de la física. Esta ley, la más trágica y desesperada de la historia de la ciencia, ya ha determinado el destino del universo. En pocas palabras, la segunda ley establece que el calor fluye de lugares calientes a lugares fríos. Es una característica bien conocida y obvia de cualquier sistema físico, y no tiene nada de misterioso: el agua hirviendo se enfría y el helado se convierte en agua azucarada. Si desea revertir estos procesos, debe gastar energía adicional. En su sentido más amplio, la segunda ley sostiene que el universo está cada vez más "desordenado". Por ejemplo, el resorte de un reloj mecánico siempre se afloja; se puede apretar, pero consumirá un poco de energía; esta energía proviene del trozo de pan que comes, el trigo necesita para absorber la energía de la luz solar durante su crecimiento; Para poder proporcionar esta energía, el sol necesita su hidrógeno para llevar a cabo reacciones nucleares. En resumen, cada disminución local en el universo debe producirse a expensas de un aumento en otra parte. En un sistema cerrado, la oficina siempre crece hasta que ya no puede ser más grande. En este momento, el sistema alcanza un estado de equilibrio termodinámico completamente consistente y no se producirá ningún cambio a menos que el mundo exterior proporcione nueva energía al sistema. Para el universo, no existe un "mundo exterior", por lo que una vez que el universo alcance un estado de equilibrio termodinámico, morirá por completo y nunca será restaurado. Esta escena se llama "muerte por calor".
El universo se dirige lenta pero seguramente hacia este destino irresistible, y generaciones de sabios han dudado de si la existencia humana tiene sentido. Dejando de lado por el momento esta depresión y haciendo un razonamiento sencillo, podemos encontrar que el universo no puede tener un pasado infinito. En pocas palabras, si el universo fuera infinitamente viejo, estaría muerto. Las cosas que evolucionan a un ritmo finito no pueden durar para siempre. En otras palabras, el universo debió haber sido creado hace un tiempo finito.
Big Bang: Hay inferencias y hay evidencia.
La segunda ley muestra claramente que el universo tuvo un comienzo, pero esta importante inferencia fue ignorada por los científicos en el siglo XIX y más tarde se convirtió en evidencia para el modelo del Big Bang. Este modelo se basa en observaciones astronómicas de principios del siglo XX.
En la década de 1920, el astrónomo Edwin Hubble observó que la luz emitida por las galaxias a diferentes distancias difería ligeramente en color. La luz de las galaxias distantes es más roja o tiene una longitud de onda más larga que la luz de las galaxias cercanas. Este fenómeno se llama "corrimiento al rojo de Hubble". Muestra que las galaxias se alejan unas de otras a altas velocidades. Cuando un tren se aleja rápidamente, su silbido suena mucho más apagado porque la frecuencia de las ondas sonoras es menor que la nuestra y la longitud de onda es más larga que la nuestra. Este es el efecto Doppler. Cuando las ondas sonoras se convierten en luz, el efecto es un corrimiento al rojo. Después de estudiar los espectros de muchas galaxias, Hubble confirmó que el corrimiento al rojo es un fenómeno común, lo que indica que el universo se está expandiendo. Este descubrimiento sentó las bases de la cosmología moderna. Si el universo se está expandiendo, debe haberse hecho más pequeño en el pasado. Si pudieras mirar hacia atrás en la historia cinematográfica del universo, encontrarías que en algún momento del pasado, todas las estrellas estuvieron juntas. Esta época fue hace unos mil millones de años, por lo que es difícil estimarla con precisión.
Además, la tasa de expansión del universo cambia con el tiempo, lo que está relacionado con la gravedad. La gravedad actúa sobre toda la materia y energía del universo, actuando como freno para evitar que las galaxias se agoten, haciendo así que la expansión sea cada vez más lenta. Al comienzo del nacimiento del universo, se expandió rápidamente desde un estado de alta densidad. A medida que pasaba el tiempo, el volumen se hizo cada vez más grande y la tasa de expansión se hizo cada vez más pequeña. Si rastreamos este proceso hasta el momento en que se creó el universo, podemos encontrar que el volumen del universo es cero y la tasa de expansión es infinita. Este es el Big Bang.
El Big Bang es el origen del espacio, el tiempo, la materia y la energía. Antes del Big Bang, ninguno de estos conceptos podía extrapolarse. Lo que ocurrió antes del Big Bang y lo que lo provocó no tiene sentido lógico. Todo lo anterior es simplemente "nada".
Lo anterior es sólo evidencia circunstancial y no parece ser suficiente para convencer a la mayoría de las personas. Si hubo una gran explosión hace 65.438+500 millones de años, ¿dejó tal poder devastador alguna marca en la estructura del universo actual? Entonces, durante un tiempo, los investigadores estuvieron más interesados en buscar restos de la creación del universo que los arqueólogos religiosos en buscar el Jardín del Edén. Los artefactos de Adán y Eva no han sido encontrados, pero sí la reliquia más importante del universo original, y es la radiación de fondo de microondas. Según la teoría del Big Bang, en los primeros minutos el universo era una bola de fuego caliente llena de radiación luminosa con una temperatura de miles de millones de grados. Debido a que el universo está en equilibrio térmico en este momento, esta radiación tiene características espectrales únicas llamadas "espectro de cuerpo negro". En 1965, dos físicos de la Bell Telephone Company, Penzias y Wilson, descubrieron accidentalmente que el universo estaba efectivamente empapado de una especie de radiación térmica. Esta radiación se emite a la Tierra desde todas las direcciones del espacio con la misma intensidad, su temperatura es de aproximadamente 3 K y sus líneas espectrales tienen características espectrales de cuerpo negro perfectas. El descubrimiento de la radiación de fondo de microondas es el mayor apoyo al modelo del Big Bang.
Conociendo la temperatura de la radiación cósmica de fondo actual, es fácil calcular que la temperatura circundante después del nacimiento del universo fue de aproximadamente 1 segundo. A temperaturas tan elevadas, no sólo dejaría de existir la materia familiar, sino que incluso los núcleos atómicos se desgarrarían en pedazos. El universo sólo puede ser una sopa de partículas elementales formada por protones, neutrones y electrones.
Cuando la sopa se enfrió, se produjo una reacción nuclear. Los neutrones y los protones se unen fácilmente para crear un núcleo de helio que consta de dos protones y dos neutrones. Los cálculos muestran que el proceso de formación del núcleo de helio dura unos 3 minutos y que el helio formado representa aproximadamente una cuarta parte de la masa total del universo. Este proceso consume todos los neutrones y los protones restantes se convierten en núcleos de hidrógeno.
Así que el modelo del Big Bang predice que el universo debería estar compuesto por aproximadamente un 25% de helio y un 75% de hidrógeno, lo cual es muy consistente con las mediciones astronómicas. El hidrógeno y el helio formados en los primeros tres minutos constituyen más del 99% de la materia del universo. Los ricos y coloridos elementos pesados que forman los planetas y la vida representan menos del L% de la masa total del universo, y la mayoría de ellos se forman dentro de las estrellas.
Se infiere que el universo se formó hace unos 10 a 20 mil millones de años.
Vida: Eternidad y Eternidad
Las observaciones astronómicas muestran que la edad de varios cuerpos celestes es inferior a 20 mil millones de años, lo que es muy consistente con la teoría del Big Bang del universo. Nuestra Tierra se formó hace unos 5 mil millones de años, y los humanos han existido aún menos. El universo aún es joven y preocuparse por el fin del mundo resulta aburrido para los solteros. Sin embargo, por el bien del destino de toda la humanidad, es necesario reflexionar sobre esta cuestión.
Según el modelo del Big Bang, el universo continúa expandiéndose después de su nacimiento, y la fuerza gravitacional entre la materia limita el proceso de expansión. Si la masa total del universo es mayor que un cierto valor, entonces un día el universo se encogerá bajo su propia gravedad, provocando un "Big Crunch" que es lo opuesto al Big Bang. Si la masa total del universo es menor que este valor, la gravedad no será suficiente para detener la expansión y el universo seguirá expandiéndose para siempre.
En un futuro muy lejano, como 654,38+ mil millones de años después, todas las estrellas se apagarán y algunos agujeros negros, estrellas de neutrones y otros cuerpos celestes acecharán en la vasta oscuridad. El tamaño del universo se ha expandido a más de 6543,8 mil millones de veces en la actualidad y todavía se está expandiendo. En este sistema, aunque la gravedad no es lo suficientemente fuerte como para detener la expansión, consume silenciosamente la energía del sistema, lo que hace que el universo se descomponga lentamente. El agujero negro emite una radiación débil bajo el efecto Hawking, que eventualmente se evapora en forma de calor y luz. Con el tiempo, incluso las partículas elementales estables, como los protones, se desintegran y mueren, y el universo acaba convirtiéndose en una sopa increíblemente fina de fotones, neutrinos y cada vez menos electrones y positrones. Todas estas partículas se mueven lentamente, alejándose cada vez más unas de otras, y no habrá procesos físicos básicos.
Este es un universo frío, oscuro, desolado y vacío. Ha recorrido su propio viaje y se enfrenta a la eternidad o la eternidad. Esta escena es casi un "silencio ardiente".
¿Qué pasa si la gravedad es lo suficientemente fuerte y un día el universo comienza a reducirse? A gran escala, el proceso de contracción es simétrico a la expansión posterior al Big Bang, como una película proyectada al revés. El proceso de contracción es lento al principio y luego se vuelve cada vez más rápido. Después de la transición, el tamaño del universo comenzó a reducirse y la temperatura de la radiación de fondo aumentó. El universo oscuro y frío se ha convertido en un crisol cada vez más caliente. La vida no tiene dónde escapar y todo está cocido y chamuscado. Finalmente, los planetas y las estrellas son destruidos y la materia distribuida en el vasto universo actual se comprime en un pequeño volumen. Han llegado los últimos tres minutos.
La temperatura subió tanto que incluso los núcleos de los átomos se desgarraron y el universo se convirtió en una sopa de partículas elementales. Sin embargo, este estado sólo puede durar unos segundos. Luego, los protones y los neutrones se vuelven indistinguibles y quedan comprimidos en un plasma de quarks. En el último momento, la gravedad se convierte en la fuerza dominante, aplastando implacablemente la materia y el espacio. En esta "contracción" a diferencia de la "expansión" del Big Bang, toda la materia deja de existir debido a la compresión, y todas las cosas tangibles, incluidos el espacio y el tiempo, se destruyen.
Este es el final. Este es el fin de todo. El universo que nació de la nada en el Big Bang ahora es la nada. Innumerables miles de millones de años de gloria, no quedará ni un rastro de memoria.
Del Big Bang a los agujeros negros: la visión del mundo de Stephen Hawking
(1)?
La Biblia dice: Dios creó el universo.
Los físicos contemporáneos dicen que el universo nació con el Big Bang.
El Vaticano dijo: La teoría del Big Bang es consistente con la Biblia.
Stephen Hawking dijo: El big bang y los agujeros negros son singularidades inevitables en el universo.
Stephen Hawking dijo: Los agujeros negros no son negros. No sólo es visible, sino que es incandescente.
Stephen Hawking dijo: En el marco de la física clásica, los agujeros negros se vuelven cada vez más grandes, pero en el marco de la física cuántica, los agujeros negros se vuelven cada vez más pequeños debido a la radiación.
Stephen Hawking dijo: El ciclo desde el Big Bang hasta el agujero negro es el proceso de creación, destrucción y renacimiento del universo. Entonces la contribución de Dios al universo desaparece.
Stephen Hawking se divorció de su esposa, que lo había cuidado durante más de diez años, y se comprometió profundamente con el catolicismo.
Algunas personas dicen que Stephen Hawking es el mayor genio después de Einstein, mientras que otros dicen que está loco.
¿Quién es Stephen Hawking?
(2)Stephen Hawking
Stephen Hawking es un físico teórico británico. Su cumpleaños es el 8 de enero de 1942, que coincide con el 300 aniversario de Galileo. En 1959, Hawking, de 17 años, comenzó a estudiar en Oxford e hizo su tesis doctoral en Cambridge con su supervisor Denis Siama.
Sin embargo, en esta época a Hawking le diagnosticaron una enfermedad llamada "esclerosis lateral amiotrófica", que aún es incurable o incluso incontrolable. Stephen Hawking terminó permanentemente en silla de ruedas y perdió la capacidad de hablar. Su vida dependía enteramente de su esposa, Jane Wald.
Sin embargo, esta persona discapacitada, de quien se dice que sólo tiene tres dedos en su cuerpo, confió en su asombrosa perseverancia para completar una serie de asombrosas teorías sobre el Big Bang y los agujeros negros, hizo grandes contribuciones a la física cuántica y mostró al mundo el Grandeza del universo. Fondo misterioso. Generalmente se le considera el científico más destacado desde Einstein. Del 65438 al 0974, Hawking obtuvo el puesto de "Profesor Lucas de Matemáticas en Cambridge".
En la ceremonia de inauguración, Hawking se tomó muchas molestias para firmar su nombre en la lista, y la firma en la primera página de la lista era Isaac Newton.
La contribución de toda la vida de Hawking a la física demuestra que bajo el marco de la física clásica, el big bang y los agujeros negros son inevitables, y los agujeros negros se harán cada vez más grandes bajo el marco de la física cuántica, los agujeros negros cambian debido a ello; a la radiación. Tiene que hacerse cada vez más pequeño. Las singularidades del Big Bang y de los agujeros negros no sólo se suavizan mediante efectos cuánticos, sino que también son el origen del universo. La contribución de Hawking a la divulgación científica radica en el hecho de que escribió un libro muy popular: Una breve historia del tiempo. Este libro ha estado en la lista de los más vendidos durante más de 100 semanas consecutivas, ha sido traducido a 33 idiomas y ha vendido más de. 5,5 millones de copias.
Este artículo tomará como línea principal una breve historia del tiempo e introducirá la teoría de Stephen Hawking.
(3) Nuestro Universo
El universo es tan misterioso que cuando todos miran las estrellas, no pueden evitar preguntarse qué se esconde detrás de las estrellas. ¿Lo aprueban nuestros antepasados? El cielo es como el cielo y la tierra es como una balanza de ajedrez. "Los antepasados de los antiguos indios creían que la tierra se transportaba en el lomo de un elefante.
En el año 340 a.C., el antiguo filósofo griego Aristóteles elaboró en su libro "Sobre los cielos" los siguientes puntos de vista:
Los eclipses lunares son causados por la sombra de la Tierra proyectada sobre la Luna.
En segundo lugar, porque la sombra de la Tierra vista durante un eclipse solar es siempre redonda. que la tierra debería ser una esfera, no un disco.
En tercer lugar, la tierra es el centro del universo, con el sol, la luna, los planetas y otras estrellas unidos a las ocho esferas celestes en un círculo perfecto.
El cristianismo acepta plenamente las enseñanzas de Aristóteles, lo que es coherente con la cosmovisión bíblica y la teoría de la creación de Dios. El mayor beneficio de este modelo del universo son las estrellas más exteriores, más allá de la esfera celeste. hay espacio para el cielo y el infierno.
En 1514, el pastor Mikolaj Kopernik propuso la "teoría heliocéntrica" que cree que el sol es el centro del universo y que la tierra y otros planetas se mueven en círculos alrededor del sol. . Por temor a la persecución de la Iglesia, Copérnico sólo pudo difundir sus teorías en secreto. Más tarde, cuando Galileo observó Júpiter, descubrió que varias de sus lunas giraban alrededor de Júpiter, lo que demostraba que otros planetas no necesariamente giraban alrededor de la Tierra. Luego, Kepler revisó la teoría de Copérnico, reemplazando las órbitas circulares por otras elípticas, haciéndolas consistentes con las observaciones. Su apoyo público finalmente significó el fin de la teoría de Aristóteles.
En 1687, Isaac Newton publicó el mundialmente famoso "Principia". En el libro se propuso la famosa ley de la gravitación universal. El libro "Principia" resuelve el problema de cómo se mueven los objetos en el espacio y el tiempo.
La gente puede incluso utilizar su teoría para calcular con precisión las órbitas de los planetas.
Pero el problema volvió a ocurrir. Según la ley de la gravedad, los planetas siempre se atraen entre sí. Parece imposible que permanezcan relativamente estacionarios en un área grande y finalmente caigan juntos. Newton también era consciente de esto y explicó que esto efectivamente sucedería si un número finito de planetas estuvieran distribuidos en un área finita. Pero si hubiera infinitos planetas uniformemente distribuidos en el espacio infinito, esto no sucedería, porque en este momento la distribución de la gravedad sería uniforme y no habría un centro que los reuniera.
De hecho, ésta es una trampa teórica con la que nos encontramos a menudo. De hecho, en un universo infinito, cada estrella puede considerarse como un centro, porque hay infinitas estrellas en todas direcciones. El método correcto debería ser: primero considere la situación en la que el espacio es limitado y las estrellas colapsan juntas. Agrega más estrellas de manera uniforme fuera de esta área. Según las leyes de Newton, estas estrellas añadidas no tienen ningún efecto sobre el área original, por lo que las estrellas seguirán cayendo juntas. Agregamos tantas estrellas como queramos y siempre colapsan hasta formar un punto. En otras palabras, las regiones locales del universo son siempre desiguales y debería haber un colapso local, y esta tendencia se expandirá gradualmente. Este no fue el resultado observado.
Así que tenemos un gran problema: ¡un universo estático infinito no existe!
(4) Paradoja de Orbers
La idea de un universo estático es tan fuerte que los científicos que se dan cuenta de que la teoría de la gravedad hace imposible que el universo sea estático no Propusieron que el universo es inflación, pero en cambio intentaron revisar su teoría. Incluso cuando Einstein publicó su teoría general de la relatividad en 1915, estaba bastante seguro de que el universo era estacionario. Así que tuvo que corregirlo introduciendo en sus ecuaciones la llamada constante cosmológica. Introdujo una "antigravedad" pasiva e inherente al tejido del espacio-tiempo. Afirmó que la tendencia de expansión interna del espacio-tiempo puede simplemente equilibrar la atracción mutua de varios materiales en el universo, produciendo así un universo estático. Más tarde, Einstein calificó esta teoría como "el error más imperdonable de la vida".
Se cree generalmente que el filósofo alemán Olbers atacó por primera vez el universo infinitamente estático. En 1823 propuso la famosa "Paradoja de Orbers". Señaló que si el universo es infinitamente estático y uniforme, entonces cada línea de visión de un observador debe terminar en una estrella. Entonces podemos imaginar fácilmente que incluso de noche todo el cielo será tan brillante como el sol. Algunos argumentan que la luz de las estrellas distantes es absorbida y debilitada por el material que atraviesa. De hecho, esta objeción aparentemente razonable no se sostiene, porque la materia que absorbe la luz eventualmente se calentará hasta emitir luz con tanta intensidad como una estrella. En un universo infinitamente quieto, sólo hay una cosa que podría impedir que el cielo nocturno sea tan brillante como durante el día, y eso es si las estrellas no comenzaran a brillar infinitamente hace mucho tiempo. En este caso, el material a través del cual pasa la luz aún no se ha calentado o la luz de la estrella distante aún no ha llegado a la Tierra. Entonces nos enfrentamos a otra pregunta: ¿Qué hizo que las estrellas brillaran por primera vez? Esta es la cuestión que el ser humano ha explorado durante incontables siglos: el origen del universo.
En 1781, el filósofo Immanuel Kant analizó profundamente la cuestión de si el universo tuvo un comienzo en el tiempo y si estaba limitado en el espacio en su icónica obra "Crítica de la razón pura". antinomia (es decir, una contradicción). Sostuvo que si el universo no tiene comienzo, entonces debe haber un tiempo infinito antes de que ocurra cualquier evento, lo cual es absurdo y si el universo tiene un comienzo, entonces ¿qué tiempo hubo antes del comienzo del universo? Kant creía que había argumentos convincentes de ambas partes. De hecho, su argumento se basa en una suposición implícita, es decir, independientemente de si el universo existe infinitamente, el tiempo puede fluir hacia atrás infinitamente. Pero la teoría del big bang de la que hablaremos próximamente nos hará comprender que el concepto de tiempo anterior al comienzo del universo no tiene sentido.
(5)El universo se está expandiendo.
Los astrónomos del siglo XX utilizaron sus espectros para estudiar las estrellas. Dado que cada elemento tiene sus propias líneas de absorción específicas, los científicos pueden analizar los elementos constituyentes de la estrella y la temperatura a partir de sus espectros. Al estudiar estos espectros, los científicos descubrieron un fenómeno extraño: todas las familias de líneas del espectro estaban desplazadas en la misma cantidad hacia el extremo rojo del espectro. ¿Qué quiere decir esto?
Todos tenemos la siguiente experiencia: cuando un coche silba hacia nosotros, el sonido es fuerte y áspero; a medida que el coche se aleja, el tono se vuelve más bajo. Esto se debe a que la frecuencia del sonido aumenta y. cae. El efecto Doppler, que describe la relación entre velocidad y frecuencia, no es difícil de entender. La luz es una onda electromagnética, con bajas frecuencias en el extremo rojo del espectro y altas frecuencias en el extremo azul. Si el espectro se mueve hacia el extremo azul, significa que la frecuencia de las ondas de luz que recibimos de la estrella se ha vuelto más alta, lo que significa que la estrella viene hacia nosotros; si el espectro está desplazado hacia el rojo, significa que la estrella; está muy lejos de nosotros.
Aquí hay que mencionar a un gran hombre: Edwin Hubble. En 1924 demostró mediante observaciones que nuestra galaxia no es única y también calculó las distancias entre galaxias.
Tras un gran número de observaciones, clasificó y contó los espectros de estas galaxias. La gente esperaba encontrar tantos espectros desplazados hacia el azul como hacia el rojo. Sin embargo, el descubrimiento de Hubble decepcionó a todos: casi todos los espectros de las galaxias están desplazados hacia el rojo, y la cantidad de desplazamiento hacia el rojo es muy proporcional al cuadrado de la distancia. de la galaxia de nosotros. En otras palabras, la velocidad a la que una galaxia se aleja de nosotros es directamente proporcional a su distancia de nosotros. Cuanto más lejos está una galaxia de nosotros, más rápido se aleja de nosotros.
¡La gente se sorprendió al descubrir que el universo se está expandiendo!
La velocidad de las galaxias al alejarse de la Tierra es tan perfecta que la Tierra parece volver a ser el centro del universo. ¿Volvemos a la teoría de Aristóteles? No precisamente.
En primer lugar, podemos concluir que la densidad de la materia no tiene nada que ver con la escala de distancias, y la distribución de los cuerpos celestes a gran escala es muy uniforme, lo que las observaciones astronómicas demuestran cada vez más. En segundo lugar, mediante la transformación galileana (transformación de movimiento entre diferentes sistemas de coordenadas), no nos resulta difícil concluir que en cualquier punto del universo, otras estrellas están muy lejos de ese punto y su velocidad de movimiento es proporcional al cuadrado de la distancia. Es como un globo inflado. Dos puntos cualesquiera de la pelota se alejan entre sí. Cuanto mayor es la distancia entre los dos puntos, más rápido se alejan entre sí. Sin embargo, no pueden considerarse como el centro de expansión. muy uniforme. Entonces llegamos a la conclusión. No existe un lugar especial en el universo. Cada observador ve el mismo fenómeno. A esto se le llama principio copernicano.
(6) Tres modelos del universo
La expansión del universo es uno de los mayores descubrimientos del siglo XX. Este descubrimiento, en menos de medio siglo, ha provocado cambios trascendentales en la cosmovisión de la humanidad que ha existido durante miles de años. La novedad de estos cambios es casi impactante. Con nuestro conocimiento actual, si observamos la cosmología antes de la expansión del universo, encontraremos que el contraste entre ellas es tan fuerte como el contraste entre la cosmología estática y la teoría geocéntrica. La gente se sorprendió al descubrir que este universo aparentemente familiar era en realidad desconocido.
¿Cómo se expandirá el universo? ¿Cuál será el resultado de la expansión?
En 1922, cuando Einstein todavía intentaba encontrar una constante gravitacional para equilibrar la tendencia a la contracción del universo en la teoría general de la relatividad, el ex matemático y físico soviético Friedman propuso sobre la base de la teoría general de la relatividad Las dos ideas son que el universo se ve igual sin importar desde dónde se mire, sin importar en qué dirección se mire. Señaló que partiendo únicamente de estos dos conceptos, deberíamos esperar que el universo no sea estático. El modelo del universo en el que se basó era completamente coherente con las observaciones posteriores de Hubble.
El modelo de Friedman tiene dos soluciones. Una solución es que cuando el universo se expande lo suficientemente rápido, la gravedad simplemente desacelera la expansión pero no puede detenerla, y el universo continuará expandiéndose para siempre. Otra solución es que el universo se expande lo suficientemente lentamente como para que la gravedad finalmente se detenga. encogerse y comprimirse bajo la influencia de la gravedad interestelar. También es posible pensar en un tercer escenario, en el que el universo se expanda lo suficientemente rápido como para evitar el colapso. La diferencia entre esta y la segunda solución es que el universo de la tercera solución es plano, mientras que el universo de la segunda solución es curvo, como un arco. La tercera solución es en realidad un caso especial de la segunda solución. Los universos y modelos de estas dos soluciones son infinitos.
En la primera solución, vemos la singularidad: el universo no es infinito en el espacio y no tiene límites. Aquí no me equivoqué. La situación en este universo se puede entender en términos de nuestra Tierra. La superficie terrestre no tiene fronteras, pero su volumen es limitado. Excepto que la superficie terrestre es bidimensional, el universo es tridimensional. Los primeros modelos del universo tenían una gravedad tan fuerte que el espacio se doblaba sobre sí mismo.
Este es realmente un buen tema de ciencia ficción. Después de que una persona viaja alrededor del universo durante una semana, regresa al punto de partida. Sin embargo, Hawking nos dijo: "Esto en realidad no significa mucho porque antes de que uno pueda hacer un círculo, el universo se ha colapsado a escala cero. Tendrías que viajar más rápido que las ondas de luz para regresar antes del fin del universo. punto de partida - ¡y esto no está permitido!"
Por el tiempo, esta solución también es limitada, tiene un principio y un final, como los dos extremos de una misma cuerda, es decir, tiene un límite. Veremos en el futuro que cuando la gente combine la relatividad general con la mecánica cuántica, podremos conectar los dos extremos de esta cuerda y hacer que el tiempo y el espacio sean finitos e ilimitados.
Entonces, ¿a qué tipo de solución se adapta nuestro universo? Esto está determinado por la densidad de masa promedio del universo que observamos actualmente. La masa total de todas las estrellas que observamos ahora es menos del 1% de la masa crítica necesaria para detener la expansión. Incluso teniendo en cuenta la materia oscura intergaláctica que no podemos observar, la masa total es menos de una décima parte de la densidad necesaria para detener la expansión. Estos resultados significan que nuestro universo puede continuar expandiéndose para siempre a su ritmo actual casi crítico.
(7) Teoría de la Relatividad
En vista del contenido tratado en los siguientes capítulos, es necesario tomarse un momento para introducir aquí la teoría de la relatividad.
¿Hay que decir que todos los increíbles cambios posteriores fueron? "El principio de la velocidad constante de la luz".
En primer lugar, la gente se da cuenta de que la velocidad de la luz es limitada.
En 1676, el astrónomo danés Ole Christiansen Milo descubrió que los satélites de Júpiter no salían de detrás de Júpiter a intervalos iguales. Cuanto más se alejaba Júpiter de la Tierra debido a su revolución, mayor era el intervalo de tiempo. Señaló que debido a que Júpiter está más lejos de nosotros, más tiempo tarda la luz en llegar a la Tierra después de ser emitida desde Júpiter. Esto demuestra que la luz no es infinitamente rápida.
Casi 200 años después, el físico británico James Maxwell propuso las famosas ecuaciones de Maxwell en 1865. Esta ecuación que describe las ondas electromagnéticas se convirtió en la verdadera teoría de la propagación de la luz. La teoría predice que las ondas electromagnéticas deberían moverse a una velocidad fija. Pero la mecánica newtoniana eliminó el concepto de reposo absoluto y la velocidad es relativa. Entonces, ¿qué objeto de referencia elegir para medir la velocidad de la luz? Por lo tanto, se propone que en el vacío existe un excelente material elástico: el "éter", en el que se propaga la luz. El "experimento Michelson-Morley" de 1887 rompió esta suposición. Los dos hombres midieron con precisión la velocidad de la luz en las direcciones tangencial y vertical de la rotación de la Tierra. Esperaban que la velocidad de la luz medida en la dirección tangencial fuera mayor que la velocidad de la luz medida en la dirección normal, con el resultado de que las dos velocidades de la luz serían exactamente iguales.
Más tarde, un empleado de la Oficina de Patentes suiza llamado Albert Einstein señaló en uno de sus artículos que si uno está dispuesto a abandonar el concepto de tiempo absoluto, entonces todo el concepto de éter es completamente redundante. Este año es 1905. ¿Es famoso este periódico? "Teoría Especial de la Relatividad". Einstein señaló que cuando la luz es emitida por una fuente de luz, cualquier observador que se mueva a una velocidad uniforme medirá la misma velocidad de la luz. El principio de velocidad constante de la luz hace que el tiempo absoluto sea el que la gente nunca ha medido. Las dudas desaparecen, y luego se deriva el principio del movimiento. La inferencia de que la regla se acorta y el reloj en movimiento se ralentiza.
De hecho, el principio de la velocidad constante de la luz se puede ver en todas partes de la vida. pero la gente no se ha dado cuenta.
Por ejemplo, una persona nos dijo que al lanzar una piedra, la piedra saldrá de la mano a la velocidad más rápida que la de la fuente de luz. Se puede superponer, la velocidad de la luz cuando se dispara la piedra debe ser mayor que antes, por lo que primero veremos la piedra disparada y luego veremos la acción de lanzamiento. Nuestra experiencia diaria no coincide. >En cuanto a por qué la velocidad de la luz tiene esta característica, Einstein dijo después de pensar durante muchos años: "La luz es muy extraña, pero no tenemos que estudiarla, porque es una sustancia así... ”
Sin embargo, existen algunas inconsistencias entre la relatividad especial y la teoría de la gravedad. La teoría de la gravedad afirma que la atracción entre objetos depende de la masa y la distancia entre ellos, lo que significa que si movemos un objeto. , la fuerza gravitacional sobre otro objeto cambiará inmediatamente, en cuyo caso el efecto gravitacional se transmitirá a una velocidad infinita, en lugar de la velocidad más baja de la luz requerida por la relatividad especial.
Después de muchos intentos, Einstein finalmente propuso la revolucionaria "Teoría General de la Relatividad".
La Relatividad General señala que la gravedad, a diferencia de otras fuerzas, "es la distorsión del espacio y el tiempo debido a la existencia de masa material". "Por ejemplo, según la teoría general de la relatividad, nuestra Tierra no se mueve a lo largo de una órbita elíptica debido a la gravedad, sino a lo largo de una trayectoria llamada geodésica que es la más cercana a una línea recta en el espacio curvo. Cuando caminamos sobre el suelo Cuando es una línea recta, en realidad sigue un arco en la superficie de la esfera de la Tierra y el plano del arco pasa por el centro de la esfera de la Tierra. Este arco es la trayectoria más cercana a una línea recta en la superficie de la Tierra. distancia más corta recorrida en el espacio-tiempo desigual Debido a la curvatura del espacio-tiempo causada por la masa del sol, aunque la Tierra se mueve en línea recta en el espacio de cuatro dimensiones, parece que viajamos a lo largo de una elipse en el tridimensional.
Es como un