Wussten Sie, dass das Universum, das wir beobachten, ziemlich klare Grenzen hat? Wir sind es gewohnt, das Universum mit etwas Unendlichem und Unverständlichem zu assoziieren. Wenn man die moderne Wissenschaft jedoch nach der „Unendlichkeit“ des Universums fragt, gibt sie eine völlig andere Antwort auf eine solch „offensichtliche“ Frage.
Nach modernen Konzepten beträgt die Größe des beobachtbaren Universums etwa 45,7 Milliarden Lichtjahre (oder 14,6 Gigaparsec). Aber was bedeuten diese Zahlen?
Die erste Frage, die einem gewöhnlichen Menschen in den Sinn kommt, ist: Wie kann das Universum nicht unendlich sein? Es scheint unbestreitbar zu sein, dass der Behälter von allem, was um uns herum existiert, keine Grenzen haben sollte. Wenn diese Grenzen existieren, was genau sind sie?
Nehmen wir an, ein Astronaut erreicht die Grenzen des Universums. Was wird er vor sich sehen? Eine feste Wand? Brandschutzbarriere? Und was steckt dahinter – Leere? Ein anderes Universum? Aber kann Leere oder ein anderes Universum bedeuten, dass wir uns an der Grenze des Universums befinden? Das bedeutet schließlich nicht, dass da „nichts“ ist. Auch Leere und ein anderes Universum sind „etwas“. Aber das Universum ist etwas, das absolut alles „Etwas“ enthält.
Wir kommen zu einem absoluten Widerspruch. Es stellt sich heraus, dass die Grenze des Universums etwas vor uns verbergen muss, das nicht existieren sollte. Oder die Grenze des Universums sollte „alles“ von „etwas“ abgrenzen, aber dieses „Etwas“ sollte auch Teil von „allem“ sein. Im Allgemeinen völlige Absurdität. Wie können Wissenschaftler dann die Grenzgröße, Masse und sogar das Alter unseres Universums angeben? Diese Werte sind zwar unvorstellbar groß, aber dennoch endlich. Argumentiert die Wissenschaft mit dem Offensichtlichen? Um dies zu verstehen, wollen wir zunächst verfolgen, wie die Menschen zu unserem modernen Verständnis des Universums kamen.
Die Grenzen erweitern
Seit jeher interessieren sich Menschen dafür, wie die Welt um sie herum aussieht. Es ist nicht nötig, Beispiele für die drei Säulen und andere Versuche der Antike zu nennen, das Universum zu erklären. Letztlich kam es in der Regel darauf an, dass die Grundlage aller Dinge die Erdoberfläche ist. Selbst in der Antike und im Mittelalter, als die Astronomen umfassende Kenntnisse über die Gesetze der Planetenbewegung entlang der „festen“ Himmelssphäre hatten, blieb die Erde das Zentrum des Universums.
Natürlich gab es schon im antiken Griechenland Menschen, die glaubten, dass sich die Erde um die Sonne dreht. Es gab diejenigen, die über die vielen Welten und die Unendlichkeit des Universums sprachen. Aber konstruktive Begründungen für diese Theorien entstanden erst an der Wende der wissenschaftlichen Revolution.
Im 16. Jahrhundert gelang dem polnischen Astronomen Nikolaus Kopernikus der erste große Durchbruch in der Kenntnis des Universums. Er bewies eindeutig, dass die Erde nur einer der Planeten ist, die sich um die Sonne drehen. Ein solches System vereinfachte die Erklärung einer solch komplexen und komplizierten Bewegung von Planeten in der Himmelssphäre erheblich. Im Falle einer stationären Erde mussten sich Astronomen allerlei clevere Theorien ausdenken, um dieses Verhalten der Planeten zu erklären. Wenn andererseits davon ausgegangen wird, dass sich die Erde bewegt, liegt eine Erklärung für solch komplizierte Bewegungen auf der Hand. So setzte sich in der Astronomie ein neues Paradigma namens „Heliozentrismus“ durch.
Viele Sonnen
Doch auch danach beschränkten die Astronomen das Universum weiterhin auf die „Sphäre der Fixsterne“. Bis zum 19. Jahrhundert war es ihnen nicht möglich, die Entfernung zu den Sternen abzuschätzen. Seit mehreren Jahrhunderten versuchen Astronomen vergeblich, Abweichungen in der Position von Sternen relativ zur Umlaufbewegung der Erde (Jahresparallaxen) zu erkennen. Mit den damaligen Instrumenten waren solche präzisen Messungen nicht möglich.
Schließlich maß der russisch-deutsche Astronom Wassili Struve 1837 die Parallaxe. Dies markierte einen neuen Schritt im Verständnis der Größe des Weltraums. Jetzt können Wissenschaftler mit Sicherheit sagen, dass die Sterne entfernte Ähnlichkeiten mit der Sonne haben. Und unsere Leuchte ist nicht mehr das Zentrum von allem, sondern ein gleichberechtigter „Bewohner“ eines endlosen Sternhaufens.
Astronomen sind dem Verständnis des Ausmaßes des Universums noch näher gekommen, denn die Entfernungen zu den Sternen erwiesen sich als wahrhaft ungeheuerlich. Sogar die Größe der Umlaufbahnen der Planeten schien im Vergleich unbedeutend. Als nächstes war es notwendig zu verstehen, wie sich die Sterne darin konzentrieren.
Viele Milchstraßen
Der berühmte Philosoph Immanuel Kant hat bereits 1755 die Grundlagen des modernen Verständnisses der großräumigen Struktur des Universums vorweggenommen. Er stellte die Hypothese auf, dass die Milchstraße ein riesiger rotierender Sternhaufen sei. Viele der beobachteten Nebel wiederum sind auch weiter entfernte „Milchstraßen“ – Galaxien. Trotzdem glaubten Astronomen bis zum 20. Jahrhundert, dass alle Nebel Quellen der Sternentstehung und Teil der Milchstraße seien.
Die Situation änderte sich, als Astronomen lernten, Entfernungen zwischen Galaxien mithilfe von zu messen. Die absolute Leuchtkraft solcher Sterne hängt streng von der Periode ihrer Variabilität ab. Durch den Vergleich ihrer absoluten Leuchtkraft mit der sichtbaren ist es möglich, die Entfernung zu ihnen mit hoher Genauigkeit zu bestimmen. Diese Methode wurde im frühen 20. Jahrhundert von Einar Hertzscher und Harlow Scelpi entwickelt. Dank ihm bestimmte der sowjetische Astronom Ernst Epic 1922 die Entfernung zu Andromeda, die sich als eine Größenordnung größer als die Größe der Milchstraße herausstellte.
Edwin Hubble führte die Initiative von Epic fort. Indem er die Helligkeit von Cepheiden in anderen Galaxien maß, maß er deren Entfernung und verglich sie mit der Rotverschiebung in ihren Spektren. So entwickelte er 1929 sein berühmtes Gesetz. Seine Arbeit widerlegte endgültig die etablierte Ansicht, dass die Milchstraße den Rand des Universums darstellt. Jetzt war es eine von vielen Galaxien, die einst als Teil davon betrachtet wurden. Kants Hypothese wurde fast zwei Jahrhunderte nach ihrer Entwicklung bestätigt.
Anschließend ermöglichte der von Hubble entdeckte Zusammenhang zwischen der Entfernung einer Galaxie von einem Beobachter und der Geschwindigkeit ihrer Entfernung von ihm, ein vollständiges Bild der großräumigen Struktur des Universums zu zeichnen. Es stellte sich heraus, dass die Galaxien nur einen unbedeutenden Teil davon ausmachten. Sie schlossen sich zu Clustern zusammen, Cluster zu Superclustern. Superhaufen wiederum bilden die größten bekannten Strukturen im Universum – Fäden und Wände. Diese Strukturen, die an riesige Supervoids () angrenzen, bilden die großräumige Struktur des derzeit bekannten Universums.
Scheinbare Unendlichkeit
Daraus folgt, dass sich die Wissenschaft in nur wenigen Jahrhunderten allmählich vom Geozentrismus zu einem modernen Verständnis des Universums entwickelt hat. Dies ist jedoch keine Antwort darauf, warum wir das Universum heute einschränken. Schließlich haben wir bisher nur über die Größe des Weltraums gesprochen und nicht über seine eigentliche Natur.
Der erste, der beschloss, die Unendlichkeit des Universums zu rechtfertigen, war Isaac Newton. Nachdem er das Gesetz der universellen Gravitation entdeckt hatte, glaubte er, dass alle seine Körper früher oder später zu einem einzigen Ganzen verschmelzen würden, wenn der Raum endlich wäre. Wenn vor ihm jemand die Idee der Unendlichkeit des Universums zum Ausdruck brachte, dann ausschließlich im philosophischen Sinne. Ohne jede wissenschaftliche Grundlage. Ein Beispiel hierfür ist Giordano Bruno. Übrigens war er wie Kant der Wissenschaft um viele Jahrhunderte voraus. Er war der Erste, der erklärte, dass Sterne entfernte Sonnen sind und dass sich auch Planeten um sie drehen.
Es scheint, dass die Tatsache der Unendlichkeit durchaus berechtigt und offensichtlich ist, aber die Wendepunkte der Wissenschaft des 20. Jahrhunderts erschütterten diese „Wahrheit“.
Stationäres Universum
Den ersten bedeutenden Schritt zur Entwicklung eines modernen Modells des Universums machte Albert Einstein. Der berühmte Physiker stellte 1917 sein Modell eines stationären Universums vor. Dieses Modell basierte auf der Allgemeinen Relativitätstheorie, die er ein Jahr zuvor entwickelt hatte. Nach seinem Modell ist das Universum zeitlich unendlich und räumlich endlich. Aber wie bereits erwähnt, muss laut Newton ein Universum mit endlicher Größe kollabieren. Zu diesem Zweck führte Einstein eine kosmologische Konstante ein, die die Anziehungskraft entfernter Objekte kompensierte.
So paradox es auch klingen mag, Einstein hat die Endlichkeit des Universums nicht begrenzt. Seiner Meinung nach ist das Universum eine geschlossene Hülle einer Hypersphäre. Eine Analogie ist die Oberfläche einer gewöhnlichen dreidimensionalen Kugel, beispielsweise eines Globus oder der Erde. Egal wie viel ein Reisender über die Erde reist, er wird niemals ihren Rand erreichen. Dies bedeutet jedoch nicht, dass die Erde unendlich ist. Der Reisende kehrt einfach an den Ort zurück, von dem aus er seine Reise begonnen hat.
Auf der Oberfläche der Hypersphäre
Auf die gleiche Weise kann ein Weltraumwanderer, der Einsteins Universum mit einem Raumschiff durchquert, zur Erde zurückkehren. Nur bewegt sich der Wanderer dieses Mal nicht entlang der zweidimensionalen Oberfläche einer Kugel, sondern entlang der dreidimensionalen Oberfläche einer Hypersphäre. Das bedeutet, dass das Universum ein endliches Volumen und damit eine endliche Anzahl an Sternen und eine endliche Masse hat. Das Universum hat jedoch weder Grenzen noch ein Zentrum.
Zu diesen Schlussfolgerungen kam Einstein, indem er in seiner berühmten Theorie Raum, Zeit und Schwerkraft miteinander verknüpfte. Vor ihm galten diese Konzepte als getrennt, weshalb der Raum des Universums rein euklidisch war. Einstein bewies, dass die Schwerkraft selbst eine Krümmung der Raumzeit ist. Dies veränderte die frühen Vorstellungen über die Natur des Universums, die auf der klassischen Newtonschen Mechanik und der euklidischen Geometrie basierten, radikal.
Expandierendes Universum
Sogar dem Entdecker des „neuen Universums“ selbst waren Wahnvorstellungen nicht fremd. Obwohl Einstein das Universum im Raum begrenzte, betrachtete er es weiterhin als statisch. Nach seinem Modell war und bleibt das Universum ewig und seine Größe bleibt immer gleich. 1922 erweiterte der sowjetische Physiker Alexander Friedman dieses Modell erheblich. Seinen Berechnungen zufolge ist das Universum überhaupt nicht statisch. Es kann sich im Laufe der Zeit ausdehnen oder zusammenziehen. Bemerkenswert ist, dass Friedman zu einem solchen Modell auf der Grundlage derselben Relativitätstheorie kam. Es gelang ihm, diese Theorie korrekter anzuwenden und dabei die kosmologische Konstante zu umgehen.
Albert Einstein akzeptierte diese „Änderung“ nicht sofort. Dieses neue Modell kam der zuvor erwähnten Hubble-Entdeckung zu Hilfe. Der Rückgang der Galaxien bewies unbestreitbar die Tatsache der Expansion des Universums. Also musste Einstein seinen Fehler eingestehen. Nun hatte das Universum ein bestimmtes Alter, das streng von der Hubble-Konstante abhängt, die die Geschwindigkeit seiner Expansion charakterisiert.
Weiterentwicklung der Kosmologie
Als Wissenschaftler versuchten, diese Frage zu lösen, wurden viele andere wichtige Bestandteile des Universums entdeckt und verschiedene Modelle davon entwickelt. Deshalb stellte George Gamow 1948 die Hypothese des „heißen Universums“ vor, aus der später die Urknalltheorie hervorging. Die Entdeckung im Jahr 1965 bestätigte seinen Verdacht. Jetzt konnten Astronomen das Licht beobachten, das aus dem Moment kam, als das Universum transparent wurde.
Die 1932 von Fritz Zwicky vorhergesagte Dunkle Materie wurde 1975 bestätigt. Dunkle Materie erklärt tatsächlich die Existenz von Galaxien, Galaxienhaufen und der universellen Struktur selbst als Ganzes. So erfuhren Wissenschaftler, dass der größte Teil der Masse des Universums völlig unsichtbar ist.
Schließlich wurde 1998 bei einer Untersuchung der Entfernung zu entdeckt, dass sich das Universum immer schneller ausdehnt. Dieser jüngste Wendepunkt in der Wissenschaft brachte unser modernes Verständnis der Natur des Universums hervor. Der von Einstein eingeführte und von Friedman widerlegte kosmologische Koeffizient fand erneut seinen Platz im Modell des Universums. Das Vorhandensein eines kosmologischen Koeffizienten (kosmologische Konstante) erklärt seine beschleunigte Expansion. Um das Vorhandensein einer kosmologischen Konstante zu erklären, wurde das Konzept eines hypothetischen Feldes eingeführt, das den größten Teil der Masse des Universums enthält.
Modernes Verständnis der Größe des beobachtbaren Universums
Das moderne Modell des Universums wird auch ΛCDM-Modell genannt. Der Buchstabe „Λ“ bedeutet das Vorhandensein einer kosmologischen Konstante, die die beschleunigte Expansion des Universums erklärt. „CDM“ bedeutet, dass das Universum mit kalter dunkler Materie gefüllt ist. Aktuelle Studien zeigen, dass die Hubble-Konstante etwa 71 (km/s)/Mpc beträgt, was dem Alter des Universums von 13,75 Milliarden Jahren entspricht. Wenn wir das Alter des Universums kennen, können wir die Größe seiner beobachtbaren Region abschätzen.
Gemäß der Relativitätstheorie können Informationen über ein Objekt einen Beobachter nicht mit einer Geschwindigkeit erreichen, die größer als die Lichtgeschwindigkeit (299.792.458 m/s) ist. Es stellt sich heraus, dass der Beobachter nicht nur ein Objekt sieht, sondern seine Vergangenheit. Je weiter ein Objekt von ihm entfernt ist, desto ferner blickt es in die Vergangenheit. Wenn wir zum Beispiel den Mond betrachten, sehen wir, wie er vor etwas mehr als einer Sekunde war, die Sonne – vor mehr als acht Minuten, die nächsten Sterne – vor Jahren, Galaxien – vor Millionen von Jahren usw. In Einsteins stationärem Modell hat das Universum keine Altersgrenze, was bedeutet, dass sein beobachtbarer Bereich auch durch nichts begrenzt ist. Der mit immer ausgefeilteren astronomischen Instrumenten ausgerüstete Beobachter wird immer weiter entfernte und antike Objekte beobachten.
Mit dem modernen Modell des Universums haben wir ein anderes Bild. Demnach hat das Universum ein Alter und damit eine Beobachtungsgrenze. Das heißt, seit der Geburt des Universums konnte kein Photon eine Distanz von mehr als 13,75 Milliarden Lichtjahren zurückgelegt haben. Es stellt sich heraus, dass wir sagen können, dass das beobachtbare Universum vom Beobachter auf eine kugelförmige Region mit einem Radius von 13,75 Milliarden Lichtjahren beschränkt ist. Dies ist jedoch nicht ganz richtig. Wir sollten die Ausdehnung des Weltraums nicht vergessen. Wenn das Photon den Beobachter erreicht, ist das Objekt, das es emittiert hat, bereits 45,7 Milliarden Lichtjahre von uns entfernt. Jahre. Diese Größe ist der Horizont der Teilchen, sie ist die Grenze des beobachtbaren Universums.
Über dem Horizont
Die Größe des beobachtbaren Universums wird also in zwei Typen unterteilt. Scheinbare Größe, auch Hubble-Radius genannt (13,75 Milliarden Lichtjahre). Und die tatsächliche Größe, genannt Teilchenhorizont (45,7 Milliarden Lichtjahre). Wichtig ist, dass diese beiden Horizonte überhaupt nicht die tatsächliche Größe des Universums charakterisieren. Sie hängen zum einen von der Position des Beobachters im Raum ab. Zweitens verändern sie sich im Laufe der Zeit. Im Fall des ΛCDM-Modells dehnt sich der Teilchenhorizont mit einer Geschwindigkeit aus, die größer ist als der Hubble-Horizont. Die Frage, ob sich dieser Trend in Zukunft ändern wird, beantwortet die moderne Wissenschaft nicht. Wenn wir jedoch davon ausgehen, dass sich das Universum mit Beschleunigung weiter ausdehnt, werden alle Objekte, die wir jetzt sehen, früher oder später aus unserem „Sichtfeld“ verschwinden.
Derzeit ist das am weitesten entfernte Licht, das von Astronomen beobachtet wird, die kosmische Mikrowellen-Hintergrundstrahlung. Beim Blick hinein sehen Wissenschaftler das Universum so, wie es 380.000 Jahre nach dem Urknall aussah. In diesem Moment kühlte sich das Universum so weit ab, dass es freie Photonen aussenden konnte, die heute mit Hilfe von Radioteleskopen nachgewiesen werden. Zu dieser Zeit gab es im Universum weder Sterne noch Galaxien, sondern nur eine kontinuierliche Wolke aus Wasserstoff, Helium und einer unbedeutenden Menge anderer Elemente. Aus den in dieser Wolke beobachteten Inhomogenitäten werden sich anschließend Galaxienhaufen bilden. Es zeigt sich, dass genau die Objekte, die aus Inhomogenitäten der kosmischen Mikrowellen-Hintergrundstrahlung entstehen, am nächsten zum Teilchenhorizont liegen.
Wahre Grenzen
Ob das Universum wahre, nicht beobachtbare Grenzen hat, ist immer noch Gegenstand pseudowissenschaftlicher Spekulationen. Auf die eine oder andere Weise sind sich alle über die Unendlichkeit des Universums einig, interpretieren diese Unendlichkeit jedoch auf völlig unterschiedliche Weise. Manche betrachten das Universum als mehrdimensional, wobei unser „lokales“ dreidimensionales Universum nur eine seiner Schichten darstellt. Andere sagen, das Universum sei fraktal – was bedeutet, dass unser lokales Universum ein Teilchen eines anderen sein könnte. Wir sollten die verschiedenen Modelle des Multiversums mit seinen geschlossenen, offenen, parallelen Universen und Wurmlöchern nicht vergessen. Und es gibt viele, viele verschiedene Versionen, deren Anzahl nur durch die menschliche Vorstellungskraft begrenzt ist.
Wenn wir uns jedoch dem kalten Realismus zuwenden oder einfach von all diesen Hypothesen abweichen, können wir davon ausgehen, dass unser Universum ein unendlicher homogener Behälter aller Sterne und Galaxien ist. Darüber hinaus werden an jedem sehr weit entfernten Punkt, seien es Milliarden Gigaparsec von uns entfernt, alle Bedingungen genau die gleichen sein. An diesem Punkt werden der Teilchenhorizont und die Hubble-Kugel genau gleich sein, mit der gleichen Reliktstrahlung an ihrem Rand. Es wird die gleichen Sterne und Galaxien geben. Interessanterweise steht dies nicht im Widerspruch zur Expansion des Universums. Schließlich dehnt sich nicht nur das Universum aus, sondern auch sein Raum selbst. Die Tatsache, dass das Universum im Moment des Urknalls aus einem Punkt entstand, bedeutet nur, dass sich die damals unendlich kleinen (praktisch Null) Dimensionen nun in unvorstellbar große verwandelt haben. In Zukunft werden wir genau diese Hypothese verwenden, um das Ausmaß des beobachtbaren Universums klar zu verstehen.
Visuelle Darstellung
Verschiedene Quellen bieten alle möglichen visuellen Modelle, die es den Menschen ermöglichen, das Ausmaß des Universums zu verstehen. Allerdings reicht es nicht aus, dass wir erkennen, wie groß der Kosmos ist. Es ist wichtig, sich vorzustellen, wie sich Konzepte wie der Hubble-Horizont und der Teilchenhorizont tatsächlich manifestieren. Stellen wir uns dazu unser Modell Schritt für Schritt vor.
Vergessen wir, dass die moderne Wissenschaft nichts über die „fremde“ Region des Universums weiß. Lassen wir die Versionen der Multiversen, des fraktalen Universums und seiner anderen „Varietäten“ beiseite und stellen wir uns vor, dass es einfach unendlich ist. Wie bereits erwähnt, steht dies nicht im Widerspruch zur Erweiterung seines Raums. Berücksichtigen wir natürlich, dass seine Hubble-Sphäre und seine Teilchensphäre 13,75 bzw. 45,7 Milliarden Lichtjahre groß sind.
Maßstab des Universums
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Versuchen wir zunächst zu verstehen, wie groß die universelle Skala ist. Wenn Sie unseren Planeten bereist haben, können Sie sich gut vorstellen, wie groß die Erde für uns ist. Stellen Sie sich nun unseren Planeten als ein Buchweizenkorn vor, das sich in einer Umlaufbahn um eine Wassermelonensonne von der Größe eines halben Fußballfeldes bewegt. In diesem Fall entspricht die Umlaufbahn von Neptun der Größe einer kleinen Stadt, die Fläche entspricht der des Mondes und die Fläche der Grenze des Einflusses der Sonne entspricht der des Mars. Es stellt sich heraus, dass unser Sonnensystem so viel größer ist als die Erde, wie der Mars größer als Buchweizen ist! Aber das ist erst der Anfang.
Stellen wir uns nun vor, dass dieser Buchweizen unser System sein wird, dessen Größe ungefähr einem Parsec entspricht. Dann wird die Milchstraße die Größe von zwei Fußballstadien haben. Dies wird uns jedoch nicht ausreichen. Auch die Milchstraße muss auf Zentimetergröße verkleinert werden. Es wird ein wenig wie Kaffeeschaum aussehen, der in einen Strudel inmitten des kaffeeschwarzen intergalaktischen Raums gewickelt ist. Zwanzig Zentimeter davon entfernt befindet sich derselbe spiralförmige „Krümel“ – der Andromedanebel. Um sie herum wird es einen Schwarm kleiner Galaxien unseres lokalen Clusters geben. Die scheinbare Größe unseres Universums wird 9,2 Kilometer betragen. Wir sind zu einem Verständnis der universellen Dimensionen gekommen.
In der universellen Blase
Es reicht jedoch nicht aus, die Skala selbst zu verstehen. Es ist wichtig, das Universum in Dynamik zu erkennen. Stellen wir uns vor, wir seien Riesen, für die die Milchstraße einen Durchmesser von einem Zentimeter hat. Wie bereits erwähnt, befinden wir uns in einer Kugel mit einem Radius von 4,57 und einem Durchmesser von 9,24 Kilometern. Stellen wir uns vor, wir wären in der Lage, in diesem Ball zu schweben, uns fortzubewegen und in einer Sekunde ganze Megaparsecs zurückzulegen. Was werden wir sehen, wenn unser Universum unendlich ist?
Natürlich werden vor uns unzählige Galaxien aller Art auftauchen. Elliptisch, spiralförmig, unregelmäßig. In manchen Gegenden wimmelt es davon, in anderen wird es leer sein. Das Hauptmerkmal wird sein, dass sie optisch alle bewegungslos sind, während wir bewegungslos sind. Aber sobald wir einen Schritt machen, beginnen sich die Galaxien selbst zu bewegen. Wenn es uns beispielsweise gelingt, in der zentimeterlangen Milchstraße ein mikroskopisch kleines Sonnensystem zu erkennen, können wir dessen Entwicklung beobachten. Wenn wir uns 600 Meter von unserer Galaxie entfernen, werden wir den Protostern Sonne und die protoplanetare Scheibe im Moment ihrer Entstehung sehen. Wenn wir uns ihm nähern, werden wir sehen, wie die Erde erscheint, wie Leben entsteht und wie der Mensch erscheint. Auf die gleiche Weise werden wir sehen, wie sich Galaxien verändern und bewegen, wenn wir uns von ihnen entfernen oder uns ihnen nähern.
Je weiter entfernte Galaxien wir betrachten, desto älter werden sie für uns sein. Die am weitesten entfernten Galaxien werden also weiter als 1300 Meter von uns entfernt sein, und bei der Wende von 1380 Metern werden wir bereits Reliktstrahlung sehen. Es stimmt, diese Entfernung wird für uns imaginär sein. Wenn wir uns jedoch der kosmischen Mikrowellen-Hintergrundstrahlung nähern, werden wir ein interessantes Bild sehen. Natürlich werden wir beobachten, wie sich aus der anfänglichen Wasserstoffwolke Galaxien bilden und entwickeln. Wenn wir eine dieser entstandenen Galaxien erreichen, werden wir verstehen, dass wir gar nicht 1,375 Kilometer zurückgelegt haben, sondern ganze 4,57.
Herauszoomen
Dadurch werden wir noch größer. Jetzt können wir ganze Hohlräume und Wände in die Faust legen. Wir befinden uns also in einer eher kleinen Blase, aus der es unmöglich ist, herauszukommen. Mit zunehmender Annäherung vergrößert sich nicht nur der Abstand zu Objekten am Rand der Blase, sondern auch der Rand selbst verschiebt sich auf unbestimmte Zeit. Das ist der springende Punkt bei der Größe des beobachtbaren Universums.
Egal wie groß das Universum ist, für einen Beobachter bleibt es immer eine begrenzte Blase. Der Beobachter wird immer im Zentrum dieser Blase sein, tatsächlich ist er ihr Zentrum. Beim Versuch, zu einem beliebigen Objekt am Rand der Blase zu gelangen, verschiebt der Beobachter dessen Mittelpunkt. Wenn Sie sich einem Objekt nähern, entfernt sich dieses Objekt immer weiter vom Rand der Blase und verändert sich gleichzeitig. Beispielsweise wird aus einer formlosen Wasserstoffwolke eine vollwertige Galaxie oder, weiter gesagt, ein Galaxienhaufen. Darüber hinaus vergrößert sich der Weg zu diesem Objekt, wenn Sie sich ihm nähern, da sich der umgebende Raum selbst verändert. Nachdem wir dieses Objekt erreicht haben, bewegen wir es nur noch vom Rand der Blase in ihre Mitte. Am Rande des Universums wird die Reliktstrahlung immer noch flackern.
Wenn wir davon ausgehen, dass sich das Universum weiterhin beschleunigt ausdehnt, dann werden wir ein noch interessanteres Bild sehen, wenn wir uns im Zentrum der Blase befinden und die Zeit um Milliarden, Billionen und noch höhere Größenordnungen vorwärts verschieben. Obwohl auch unsere Blase größer wird, werden sich ihre sich verändernden Bestandteile noch schneller von uns entfernen und den Rand dieser Blase verlassen, bis jedes Teilchen des Universums einzeln in seiner einsamen Blase umherwandert, ohne die Möglichkeit, mit anderen Teilchen zu interagieren.
Die moderne Wissenschaft verfügt also nicht über Informationen über die tatsächliche Größe des Universums und darüber, ob es Grenzen hat. Aber wir wissen mit Sicherheit, dass das beobachtbare Universum eine sichtbare und wahre Grenze hat, die als Hubble-Radius (13,75 Milliarden Lichtjahre) bzw. Teilchenradius (45,7 Milliarden Lichtjahre) bezeichnet wird. Diese Grenzen hängen vollständig von der Position des Beobachters im Raum ab und dehnen sich mit der Zeit aus. Wenn sich der Hubble-Radius streng mit Lichtgeschwindigkeit ausdehnt, dann wird die Ausdehnung des Teilchenhorizonts beschleunigt. Offen bleibt die Frage, ob die Beschleunigung des Teilchenhorizonts weiter anhält und durch Kompression ersetzt wird.
Es gab Zeiten, in denen die Welt der Menschen auf die Erdoberfläche unter ihren Füßen beschränkt war. Mit der Entwicklung der Technologie hat die Menschheit ihren Horizont erweitert. Jetzt denken die Menschen darüber nach, ob unsere Welt Grenzen hat und wie groß das Universum ist. Tatsächlich kann sich niemand seine wahre Größe vorstellen. Weil wir keine geeigneten Bezugspunkte haben. Selbst professionelle Astronomen stellen sich (zumindest in ihrer Vorstellung) um ein Vielfaches verkleinerte Modelle vor. Es ist wichtig, die Abmessungen von Objekten im Universum genau zu korrelieren. Und bei der Lösung mathematischer Probleme sind sie im Allgemeinen unwichtig, da es sich dabei nur um Zahlen handelt, mit denen der Astronom operiert.
Über den Aufbau des Sonnensystems
Um über die Größe des Universums zu sprechen, müssen wir zunächst verstehen, was uns am nächsten ist. Erstens gibt es einen Stern namens Sonne. Zweitens die Planeten, die ihn umkreisen. Darüber hinaus bewegen sich um einige von ihnen auch Satelliten. Und das dürfen wir nicht vergessen
Die Planeten auf dieser Liste sind seit langem für Menschen von Interesse, da sie für die Beobachtung am besten zugänglich sind. Aus ihrem Studium begann sich die Wissenschaft von der Struktur des Universums zu entwickeln – die Astronomie. Der Stern gilt als Zentrum des Sonnensystems. Es ist auch sein größtes Objekt. Im Vergleich zur Erde hat die Sonne ein millionenfach größeres Volumen. Es erscheint nur deshalb relativ klein, weil es sehr weit von unserem Planeten entfernt ist.
Alle Planeten des Sonnensystems werden in drei Gruppen eingeteilt:
- Irdisch. Es umfasst Planeten, die im Aussehen der Erde ähneln. Dies sind beispielsweise Merkur, Venus und Mars.
- Riesige Objekte. Sie sind im Vergleich zur ersten Gruppe viel größer. Darüber hinaus enthalten sie viele Gase, weshalb sie auch gasförmig genannt werden. Dazu gehören Jupiter, Saturn, Uranus und Neptun.
- Zwergenplaneten. Tatsächlich handelt es sich um große Asteroiden. Einer von ihnen gehörte bis vor kurzem zu den Hauptplaneten – das ist Pluto.
Aufgrund der Schwerkraft „fliegen“ die Planeten nicht von der Sonne weg. Aufgrund der hohen Geschwindigkeit können sie jedoch nicht auf einen Stern fallen. Die Objekte sind wirklich sehr „flink“. Beispielsweise beträgt die Geschwindigkeit der Erde etwa 30 Kilometer pro Sekunde.
Wie kann man die Größe von Objekten im Sonnensystem vergleichen?
Bevor Sie versuchen, sich die Größe des Universums vorzustellen, lohnt es sich, die Sonne und die Planeten zu verstehen. Schließlich kann es auch schwierig sein, sie miteinander zu korrelieren. Am häufigsten wird die herkömmliche Größe eines feurigen Sterns mit einer Billardkugel identifiziert, deren Durchmesser 7 cm beträgt. Es ist erwähnenswert, dass sie in Wirklichkeit etwa 1.400.000 km erreicht. In einem solchen „Spielzeug“-Modell befindet sich der erste Planet von der Sonne (Merkur) in einer Entfernung von 2 Metern und 80 Zentimetern. In diesem Fall hätte die Erdkugel einen Durchmesser von nur einem halben Millimeter. Er befindet sich in einer Entfernung von 7,6 Metern vom Stern. Die Entfernung zum Jupiter beträgt auf dieser Skala 40 m und zu Pluto 300 m.
Wenn wir über Objekte außerhalb des Sonnensystems sprechen, dann ist Proxima Centauri der nächstgelegene Stern. Es wird so viel entfernt, dass diese Vereinfachung zu gering ist. Und das, obwohl es sich innerhalb der Galaxie befindet. Was können wir über die Größe des Universums sagen? Wie Sie sehen, ist es praktisch grenzenlos. Ich möchte immer wissen, wie die Erde und das Universum zusammenhängen. Und nachdem ich die Antwort erhalten habe, kann ich nicht glauben, dass unser Planet und sogar die Galaxie ein unbedeutender Teil einer riesigen Welt sind.
Mit welchen Einheiten werden Entfernungen im Raum gemessen?
Ein Zentimeter, ein Meter und sogar ein Kilometer – all diese Größen erweisen sich bereits im Sonnensystem als unbedeutend. Was können wir über das Universum sagen? Um die Entfernung innerhalb der Galaxie anzugeben, wird ein Wert namens Lichtjahr verwendet. Dies ist die Zeit, die das Licht für eine Reise über ein Jahr benötigen würde. Denken wir daran, dass eine Lichtsekunde fast 300.000 km entspricht. Umgerechnet auf die üblichen Kilometer entspricht ein Lichtjahr daher ungefähr 10.000 Milliarden. Es ist unmöglich, es sich vorzustellen, daher ist das Ausmaß des Universums für den Menschen unvorstellbar. Wenn Sie die Entfernung zwischen benachbarten Galaxien angeben müssen, reicht ein Lichtjahr nicht aus. Es wird ein noch größerer Wert benötigt. Es stellte sich heraus, dass es sich um ein Parsec handelte, was 3,26 Lichtjahren entspricht.
Wie funktioniert die Galaxie?
Es ist eine riesige Formation, die aus Sternen und Nebeln besteht. Ein kleiner Teil davon ist jede Nacht am Himmel sichtbar. Die Struktur unserer Galaxie ist sehr komplex. Es kann als stark komprimiertes Rotationsellipsoid betrachtet werden. Darüber hinaus hat es einen äquatorialen Teil und ein Zentrum. Der Äquator der Galaxie besteht hauptsächlich aus Gasnebeln und heißen, massereichen Sternen. In der Milchstraße liegt dieser Teil im zentralen Bereich.
Das Sonnensystem ist keine Ausnahme von der Regel. Es liegt auch in der Nähe des Äquators der Galaxie. Übrigens bildet der Hauptteil der Sterne eine riesige Scheibe mit einem Durchmesser von 100.000 und einer Dicke von 1.500. Wenn wir zu dem Maßstab zurückkehren, der zur Darstellung des Sonnensystems verwendet wurde, dann wird die Größe der Galaxie entsprechend sein. Das ist eine unglaubliche Zahl. Daher erweisen sich Sonne und Erde als Krümel in der Galaxie.
Welche Objekte gibt es im Universum?
Lassen Sie uns die wichtigsten auflisten:
- Sterne sind riesige, selbstleuchtende Kugeln. Sie entstehen aus einer Umgebung, die aus einem Gemisch aus Staub und Gasen besteht. Die meisten davon sind Wasserstoff und Helium.
- CMB-Strahlung. Sie breiten sich im Weltraum aus. Seine Temperatur beträgt 270 Grad Celsius. Darüber hinaus ist diese Strahlung in alle Richtungen gleich. Diese Eigenschaft wird Isotropie genannt. Darüber hinaus sind damit einige Geheimnisse des Universums verbunden. Es wurde beispielsweise klar, dass es im Moment des Urknalls entstand. Das heißt, es existiert seit Beginn der Existenz des Universums. Es bestätigt auch die Idee, dass es sich in alle Richtungen gleichmäßig ausdehnt. Darüber hinaus gilt diese Aussage nicht nur für die Gegenwart. Das war ganz am Anfang so.
- Das heißt, verborgene Masse. Dies sind jene Objekte des Universums, die nicht durch direkte Beobachtung untersucht werden können. Mit anderen Worten: Sie senden keine elektromagnetischen Wellen aus. Aber sie haben eine gravitative Wirkung auf andere Körper.
- Schwarze Löcher. Sie sind nicht ausreichend untersucht, aber sehr gut bekannt. Dies geschah aufgrund der umfangreichen Beschreibung solcher Objekte in Science-Fiction-Werken. Tatsächlich ist ein Schwarzes Loch ein Körper, von dem aus sich elektromagnetische Strahlung nicht ausbreiten kann, da die zweite kosmische Geschwindigkeit auf ihm gleich ist. Es sei daran erinnert, dass es die zweite kosmische Geschwindigkeit ist, die dem Objekt in der richtigen Reihenfolge mitgeteilt werden muss damit es das Weltraumobjekt verlässt.
Darüber hinaus gibt es im Universum Quasare und Pulsare.
Geheimnisvolles Universum
Es steckt voller Dinge, die noch nicht vollständig entdeckt oder untersucht wurden. Und was entdeckt wurde, wirft oft neue Fragen und damit verbundene Geheimnisse des Universums auf. Dazu gehört sogar die bekannte „Urknall“-Theorie. Es ist eigentlich nur eine bedingte Lehre, da die Menschheit nur vermuten kann, wie es passiert ist.
Das zweite Rätsel ist das Alter des Universums. Sie kann durch die bereits erwähnte Reliktstrahlung, Beobachtung von Kugelsternhaufen und anderen Objekten näherungsweise berechnet werden. Heute sind sich Wissenschaftler einig, dass das Alter des Universums etwa 13,7 Milliarden Jahre beträgt. Ein weiteres Rätsel: Gibt es Leben auf anderen Planeten? Denn nicht nur im Sonnensystem entstanden geeignete Bedingungen und die Erde entstand. Und das Universum ist höchstwahrscheinlich voller ähnlicher Formationen.
Eins?
Was ist außerhalb des Universums? Was gibt es, wo der menschliche Blick nicht eingedrungen ist? Gibt es etwas jenseits dieser Grenze? Wenn ja, wie viele Universen gibt es? Dies sind Fragen, auf die Wissenschaftler noch keine Antworten gefunden haben. Unsere Welt ist wie eine Kiste voller Überraschungen. Einst schien es nur aus der Erde und der Sonne zu bestehen, mit ein paar Sternen am Himmel. Dann erweiterte sich das Weltbild. Dementsprechend haben sich die Grenzen erweitert. Es ist nicht verwunderlich, dass viele kluge Köpfe schon lange zu dem Schluss gekommen sind, dass das Universum nur ein Teil einer noch größeren Formation ist.
Abmessungen der Objekte im Universum im Vergleich (Foto)
1. Das ist die Erde! Wir leben hier. Auf den ersten Blick ist es sehr groß. Aber tatsächlich ist unser Planet im Vergleich zu einigen Objekten im Universum vernachlässigbar. Die folgenden Fotos helfen Ihnen, sich zumindest grob etwas vorzustellen, das einfach nicht in Ihren Kopf passt.
2. Die Lage des Planeten Erde im Sonnensystem.
3. Skalierter Abstand zwischen der Erde und dem Mond. Sieht nicht allzu weit weg aus, oder?
4. Innerhalb dieser Entfernung können Sie alle Planeten unseres Sonnensystems schön und ordentlich platzieren.
5. Dieser kleine grüne Fleck ist der Kontinent Nordamerika auf dem Planeten Jupiter. Sie können sich vorstellen, wie viel größer Jupiter als die Erde ist.
6. Und dieses Foto vermittelt eine Vorstellung von der Größe des Planeten Erde (also unserer sechs Planeten) im Vergleich zum Saturn.
7. So würden die Saturnringe aussehen, wenn sie die Erde umgeben würden. Schönheit!
8. Hunderte Kometen fliegen zwischen den Planeten des Sonnensystems. So sieht der Komet Churyumov-Gerasimenko, auf dem die Philae-Sonde im Herbst 2014 landete, im Vergleich zu Los Angeles aus.
9. Aber alle Objekte im Sonnensystem sind im Vergleich zu unserer Sonne vernachlässigbar.
10. So sieht unser Planet von der Mondoberfläche aus aus.
11. So sieht unser Planet von der Marsoberfläche aus aus.
12. Und das sind wir vom Saturn.
13. Wenn Sie an den Rand des Sonnensystems fliegen, werden Sie unseren Planeten so sehen.
14. Gehen wir noch einmal zurück. Dies ist die Größe der Erde im Vergleich zur Größe unserer Sonne. Beeindruckend, nicht wahr?
15. Und das ist unsere Sonne von der Marsoberfläche.
16. Aber unsere Sonne ist nur einer der Sterne im Universum. Ihre Anzahl ist größer als die der Sandkörner an jedem Strand der Erde.
17. Das bedeutet, dass es Sterne gibt, die viel größer sind als unsere Sonne. Schauen Sie sich nur an, wie winzig die Sonne im Vergleich zum größten heute bekannten Stern VY im Sternbild Großer Hund ist.
18. Aber kein einziger Stern kann mit der Größe unserer Milchstraße mithalten. Wenn wir unsere Sonne auf die Größe eines weißen Blutkörperchens verkleinern und die gesamte Galaxie um denselben Betrag verkleinern, dann wird die Milchstraße die Größe Russlands haben.
19. Unsere Milchstraße ist riesig. Wir wohnen hier irgendwo in der Nähe.
20. Leider sind alle Objekte, die wir nachts mit bloßem Auge am Himmel sehen können, in diesem gelben Kreis platziert.
21. Aber die Milchstraße ist bei weitem nicht die größte Galaxie im Universum. Dies ist die Milchstraße im Vergleich zur Galaxie IC 1011, die 350 Millionen Lichtjahre von der Erde entfernt ist.
22. Aber das ist noch nicht alles. Dieses Hubble-Bild erfasst Abertausende Galaxien, von denen jede Millionen von Sternen mit ihren eigenen Planeten enthält.
23. Zum Beispiel eine der Galaxien auf dem Foto, UDF 423. Diese Galaxie liegt zehn Milliarden Lichtjahre von der Erde entfernt. Wenn Sie dieses Foto betrachten, blicken Sie Milliarden von Jahren in die Vergangenheit.
24. Dieses dunkle Stück Nachthimmel sieht völlig leer aus. Doch beim Vergrößern stellt sich heraus, dass es Tausende von Galaxien mit Milliarden von Sternen enthält.
25. Und das ist die Größe eines Schwarzen Lochs im Vergleich zur Größe der Erdumlaufbahn und der Umlaufbahn des Planeten Neptun.
Ein solcher schwarzer Abgrund könnte leicht das gesamte Sonnensystem einsaugen.
> Maßstab des Universums
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Wir alle denken allgemein an Dimensionen, etwa an eine andere Realität oder unsere Wahrnehmung der Umwelt um uns herum. Dies ist jedoch nur ein Teil dessen, was Messungen tatsächlich sind. Und vor allem das vorhandene Verständnis Messungen der Größe des Universums– das lässt sich am besten in der Physik beschreiben.
Physiker vermuten, dass Messungen lediglich unterschiedliche Facetten der Wahrnehmung der Größe des Universums sind. Zu den ersten vier Dimensionen gehören beispielsweise Länge, Breite, Höhe und Zeit. Laut Quantenphysik gibt es jedoch noch andere Dimensionen, die die Natur des Universums und vielleicht aller Universen beschreiben. Viele Wissenschaftler glauben, dass es derzeit etwa 10 Dimensionen gibt.
Interaktive Skala des Universums
Die Größe des Universums messen
Die erste Dimension ist, wie erwähnt, die Länge. Ein gutes Beispiel für ein eindimensionales Objekt ist eine gerade Linie. Diese Linie hat nur eine Längendimension. Die zweite Dimension ist die Breite. Diese Dimension umfasst die Länge; ein gutes Beispiel für ein zweidimensionales Objekt wäre eine unglaublich dünne Ebene. Dinge in zwei Dimensionen können nur im Querschnitt betrachtet werden.
Die dritte Dimension ist die Höhe und mit dieser Dimension sind wir am besten vertraut. In Kombination mit Länge und Breite ist es dimensional gesehen der am deutlichsten sichtbare Teil des Universums. Die beste physikalische Form, um diese Dimension zu beschreiben, ist ein Würfel. Die dritte Dimension entsteht, wenn Länge, Breite und Höhe sich schneiden.
Jetzt wird es etwas komplizierter, weil die verbleibenden sieben Dimensionen mit immateriellen Konzepten verbunden sind, die wir nicht direkt beobachten können, von deren Existenz wir aber wissen. Die vierte Dimension ist die Zeit. Es ist der Unterschied zwischen Vergangenheit, Gegenwart und Zukunft. Daher wäre die beste Beschreibung der vierten Dimension die Chronologie.
Andere Dimensionen befassen sich mit Wahrscheinlichkeiten. Die fünfte und sechste Dimension sind mit der Zukunft verbunden. Laut Quantenphysik kann es beliebig viele mögliche Zukünfte geben, aber es gibt nur ein Ergebnis, und der Grund dafür ist die Wahl. Die fünfte und sechste Dimension sind mit der Gabelung (Änderung, Verzweigung) jeder dieser Wahrscheinlichkeiten verbunden. Wenn Sie die fünfte und sechste Dimension kontrollieren könnten, könnten Sie im Grunde in die Vergangenheit reisen oder verschiedene Zukünfte besuchen.
Die Dimensionen 7 bis 10 beziehen sich auf das Universum und seine Größe. Sie basieren auf der Tatsache, dass es mehrere Universen gibt und jedes seine eigene Abfolge von Realitätsdimensionen und möglichen Ergebnissen hat. Die zehnte und letzte Dimension ist tatsächlich eines aller möglichen Ergebnisse aller Universen.
