Скопление галактик во Вселенной в самых больших наблюдаемых масштабах, где каждый пиксель представляет галактику. Изображение предоставлено Майклом Блантоном и SDSS.

5 научных мифов, которые вы, вероятно, верите во Вселенную

Как мало знаний может привести к огромным заблуждениям ... и как это исправить.

«Поскольку философия возникает из страха, философ обязан быть любителем мифов и поэтических басен. Поэты и философы одинаково велики от удивления ». -Тома Аквинский

Вселенная - это огромное, загадочное место, охватывающее все, что мы когда-либо знали, наблюдали или надеялись когда-либо вступить в контакт. В течение тысячелетий взгляд на небо - наше окно в космос за пределами нашего мира - был встречен удивлением, благоговением и очарованием неизвестного. Благодаря всем научным достижениям, достигнутым цивилизациями по всему земному шару, мы теперь знаем, что точки света на небе - это звезды, сгруппированные в галактиках, которые группируются в самых больших масштабах во Вселенной, которая началась с нашего Большого взрыва. ограниченное количество времени назад: 13,8 миллиардов лет. Но знание этого не означает, что мы знаем все. Фактически, знание некоторой физики открывает двери для некоторых действительно больших заблуждений, некоторые из которых поражают даже профессиональных ученых. Они включают…

Наблюдаемые (желтые) и достижимые (пурпурные) части Вселенной, которыми они являются, благодаря расширению пространства и энергетических компонентов Вселенной. Изображение предоставлено: E. Siegel, на основе работы пользователей Wikimedia Commons Azcolvin 429 и Frédéric MICHEL.

1.) Если Вселенной 13,8 миллиарда лет, то мы не должны видеть объекты на расстоянии 46 миллиардов световых лет.

Ведь ничто не может двигаться быстрее скорости света! Свет от Солнца имеет возраст 8 минут 20 секунд, потому что свету требуется 8 минут 20 секунд, чтобы пересечь расстояние от Солнца до Земли. Но есть два важных момента, которые нужно осознать: одно - это то, что Солнце и Земля не движутся друг от друга или навстречу друг другу во время путешествия света, другое - то, что пространство между Солнцем и Землей не расширяется. В самых больших космических масштабах Вселенная имеет оба этих фактора в игре.

Представьте себе галактику, которая находилась на расстоянии 10 миллиардов световых лет от того места, где мы сейчас находимся 10 миллиардов лет назад. Представьте, что он излучал свет. Если бы ткань Вселенной не расширялась, нам потребовалось бы 10 миллиардов лет. Но если бы галактика удалялась от нас, ограниченная скоростью света, к тому времени, когда свет попадет туда, от нас может пройти до 20 миллиардов световых лет. И если бы Вселенная расширялась, это могло бы быть еще дальше! Если бы наша Вселенная состояла в основном из радиации, мы могли бы видеть на расстоянии до 27,6 миллиардов световых лет во Вселенной 13,8 миллиардов лет. Если бы это было сделано в основном из материи, это число увеличилось бы до 41,4 миллиардов световых лет. И благодаря имеющейся у нас смеси материи, темной материи и темной энергии это расширение приводит к удалению до 46 миллиардов световых лет. Вот как мы можем видеть такие отдаленные объекты в нашей Вселенной.

Свет и рябь в космосе; когда свет проходит через неплоское пространство, он меняет то, как наблюдатель в любом другом месте воспринимает течение света. Изображение предоставлено: Европейская гравитационная обсерватория, Lionel BRET / EUROLIOS.

2.) Никто не знает, как на самом деле работает гравитация.

Силы, влияющие на нашу Вселенную - гравитация, управляемая Общей относительностью Эйнштейна, и электромагнитные, слабые и сильные силы, описываемые квантовой теорией поля, - легко наблюдать и измерять. Теории, лежащие в их основе, являются отдельными, с общей теорией относительности, описывающей связь между веществом и энергией и кривизной пространства-времени, и квантовой теорией поля, описывающей взаимодействия между частицами, происходящими в этом пространстве-времени. Вы можете беспокоиться о том, что гравитация по своей природе должна быть квантовой силой, и что должны существовать гравитоны, опосредующие это взаимодействие. Вы также можете беспокоиться о том, что мы не можем рассчитать, как гравитационная сила или поле должны работать в квантовых ситуациях, например, для электрона, проходящего через двойную щель и мешающего себе.

Но цель науки - объяснить наблюдения, и общая теория относительности делает это для абсолютно всех из них. Не только в достаточной мере, но и в совершенстве, в тех пределах, которые мы способны наблюдать. Каждая теория имеет предел своего диапазона действия; Общая теория относительности рухнет в какой-то момент, как в особенности внутри черных дыр. Но квантовые теории поля тоже имеют эти ограничения: в масштабе Планка или на расстоянии около 10 -33 метров или около того. Гравитоны должны существовать, но они похожи на фотоны: реальные могут быть обнаружены как гравитационные волны (так же, как реальные фотоны могут быть обнаружены как световые волны), в то время как виртуальные камни не могут быть обнаружены, и являются просто вычислительным инструментом. Описание Эйнштейна совершенно верно. Хотя мы надеемся, что когда-нибудь это будет заменено квантовым описанием гравитации, наша картина искривленного пространства-времени, на которое влияют материя и энергия, где искривленное пространство-время определяет пути объектов, в основном важна: она прекрасно описывает каждое наблюдение, которое мы можем задуматься о создании.

График истории нашей наблюдаемой Вселенной. Изображение предоставлено NASA / WMAP Science Team.

3. Большой взрыв был рождением пространства и времени.

Вселенная расширялась и остывала в течение миллиардов лет; в прошлом все было горячее и плотнее, и если мы экстраполируем обратно сколь угодно далеко, мы достигнем точки бесконечной плотности. Теоретически это было реализовано еще в 1920-х годах такими космологами, как Александр Фридман и Жорж Леметр, причем последние назвали это состояние «первичным атомом», из которого все возникло. Когда в 1960-х годах было обнаружено остаточное излучение, предсказанное этой картиной - смещенное в микроволновую часть спектра вследствие расширения Вселенной - Большой Взрыв подтвердился. Произведите экстраполяцию назад произвольно далеко, и вы получите особенность: откуда возникли пространство и время, как мы их знаем.

Только эта картина не верна. Если температура Вселенной (а следовательно, и ее энергии) когда-либо поднимется выше определенной точки, то в начале флуктуации космического микроволнового фона были бы больше, чем мы наблюдаем. Тот факт, что они представляют собой всего лишь несколько частей на 100 000 - впервые измеренных в начале 1990-х годов COBE - говорит нам о том, что перед горячим Большим взрывом должно было быть состояние, когда возникла наша горячая, плотная, наполненная материей и радиацией Вселенная от. Был сделан прогноз относительно того, каким будет это состояние в 1980-х годах: космическая инфляция, которая вызвала и породила Большой взрыв. Детали того, какими будут колебания CMB, были предсказаны, и было обнаружено, что они совпадают в мрачных деталях с тем, что мы наблюдали в COBE, WMAP (2000-е годы) и Planck (2010-е годы). Инфляция пришла до горячего Большого взрыва. То, что было до инфляции, и, честно говоря, то, что было до последних 10 -32 секунд или около того, все еще остается загадкой.

Два возможных паттерна запутывания в пространстве де Ситтера, представляющие запутанные биты квантовой информации, которые могут позволить появлению пространства, времени и гравитации. Изображение предоставлено: Эрик Верлинде, через https://arxiv.org/pdf/1611.02269v2.pdf.

4.) Пространство, время и гравитация могут быть иллюзиями.

Возможно они не фундаментальны; может быть, они не совсем «настоящие» в некотором смысле. Было много шума по поводу недавней идеи: некоторые из этих свойств могут появиться из чего-то более фундаментального. Звуковые волны возникают из молекулярных взаимодействий; атомы возникают из кварков, глюонов и электронов и сильных и электромагнитных взаимодействий; Планетные системы возникают из гравитации в общей теории относительности. Но в идее энтропийной гравитации, как и в некоторых других сценариях (например, кубитах), гравитация или даже пространство и время сами могут возникать из других сущностей аналогичным образом.

Но в основе этого лежит тот факт, что в уравнениях, управляющих гравитацией, и в термодинамике существуют тесные связи. Обычно мы принимаем точку зрения, что гравитация и частицы являются фундаментальными объектами, и что термодинамика является возникающей: описание совокупных свойств большого числа более фундаментальных вещей. На самом деле законы термодинамики возникают из другого, более фундаментального поля; статистическая механика. Гравитация может возникнуть из чего-то более фундаментального: струн, петель, волосатых черных дыр, частиц Планка или какой-то другой теоретической конструкции. Ключ, однако, заключается в том, что предсказания этой «более фундаментальной» идеи должны отличаться от предсказаний Общей теории относительности, и это не было выдвинуто каким-либо проверенным способом. Но самое главное, гравитация не иллюзия, даже если она не фундаментальна; оно существует точно так же, как и любое возникающее свойство. А что касается пространства и времени? Они также не могут быть фундаментальными, но нет никакой хорошей идеи для того, что они могут из этого извлечь, что связано с чем-либо проверяемым. В любом случае, пространство, время и гравитация, безусловно, все существуют, и называть их «иллюзией» просто не соответствует действительности.

Колебания в самом пространстве-времени в квантовом масштабе растягиваются во Вселенной во время инфляции, вызывая несовершенство как плотности, так и гравитационных волн. Изображение предоставлено: E. Siegel, с изображениями, полученными из ESA / Planck и межведомственной целевой группы DoE / NASA / NSF по исследованию CMB.

5.) Во всяком случае, это всего лишь теория.

Большой взрыв: просто теория. Гравитация: только теория. Даже вся область объединения этих идей называется теоретической физикой. Это не так, как это факты, истины или даже законы. Это всего лишь теории.

Но это полностью упускает смысл научной теории. Факты - самые основные элементы науки. Вы делаете наблюдение, и это факт. Вы делаете измерение, и это факт. Одна точка экспериментальных данных является фактом, и поэтому мы собираем столько их, сколько можем, и разрабатываем настройки для сбора еще большего количества данных. Когда вы замечаете, что все взаимосвязано, что отношения между различными измеримыми / наблюдаемыми подчиняются определенной форме или уравнению, это закон. Только тогда, когда вы можете собрать всеобъемлющую структуру, которая не только объясняет факты и охватывает законы, но также делает новые предсказания о вещах, которые вы можете найти и наблюдать, что у вас есть научная теория. Если вы затем выйдете, подтвердите и подтвердите свои теории и подтолкнете их к абсолютным пределам, что у вас есть такая же теория, как Большой Взрыв или Общая теория относительности.

И это правда: даже теория, столь же надежная и принятая, как эти примеры, никогда не будет окончательным ответом. Всегда есть чему поучиться, больше границ, которые нужно пересекать, и больше вопросов, которые нужно раскрыть и исследовать. Но лучшие из принятых теорий дня настолько близки к истине, насколько наука когда-либо может достичь, даже если мы всегда стремимся приблизиться. Лучше понять реальность, со всеми нюансами, участвующих в ней, как лучше, как мы на самом деле можем, чем упорствовать в утешительном мифе.

Этот пост впервые появился в Forbes и доступен вам без рекламы нашими сторонниками из Патреона. Прокомментируйте наш форум и купите нашу первую книгу: Beyond The Galaxy!