Сколько вещей во Вселенной?

Чтобы понять, сколько вещей есть во Вселенной, нужно сначала понять, о каких вещах мы говорим. В настоящее время мы считаем, что только около 5 процентов Вселенной состоит из «обычной» (или «барионной») материи, то есть из таких вещей, как протоны и нейтроны — вещества, которое вы, я, наша планета и звезды, например, , сделаны из. Остальные 95 процентов составляют «темная материя» и «темная энергия».

Но откуда мы знаем, что только 5 процентов Вселенной состоит из обычной материи, и сколько «вещества» это на самом деле переводит? Один из способов, которым астрономы смогли определить состав Вселенной, — это наблюдение за космическим микроволновым фоном (CMB). Это похоже на снимок ранней Вселенной, когда ей было всего около 370 000 лет, и отмечает момент, когда фотоны, или частицы света, впервые смогли свободно путешествовать по Вселенной.

Сегодня остатки этого первого света, который мы видим, равномерно распределены по небу с очень небольшими колебаниями. Оказывается, эти колебания зависят от того, сколько вещества присутствует во Вселенной и что это за вещество. Поскольку свет взаимодействует только с обычной материей Вселенной, изменение количества материи этого типа повлияет на то, как свет реликтового излучения выглядит для нас сегодня. Таким образом, мы можем определить, какая часть Вселенной представляет собой обычное вещество, исходя из реликтового излучения.

Есть и другие способы измерения того же самого, и, к счастью, все они более или менее согласуются друг с другом. Определенные химические реакции, происходившие вскоре после Большого взрыва, зависели от количества обычной материи во Вселенной. Например, если бы его было больше, в результате этих химических реакций образовалось бы больше гелия, дейтерия, лития и других элементов.

Измеряя соотношение этих элементов в очень старых небесных объектах, мы можем оценить, сколько обычного вещества присутствовало, когда происходили эти реакции. Совсем недавно астрономы изучили, каким образом «быстрые радиовсплески», представляющие собой таинственные вспышки радиоволн из далекой Вселенной, взаимодействуют с обычным веществом, путешествуя по Вселенной. Это обеспечивает дополнительное измерение этого материала.

Так сколько там? Если вы используете методы, которые я описал выше, для определения плотности обычной материи во Вселенной, и у вас есть хорошая оценка объема наблюдаемой Вселенной (около 4 x 10 80 кубических метров), мы получим значение около 10 80 частиц обычной материи во Вселенной. Хотя это может показаться большим, Вселенная настолько велика, что, если перевести это в плотность, вы обнаружите, что в среднем на кубический метр во Вселенной приходится всего одна частица обычного вещества.

Гораздо больший процент Вселенной состоит из таких вещей, как темная материя и темная энергия, которые мы до сих пор не до конца понимаем.

Майк следует

Саттон Колдфилд, Уэст-Мидлендс, Великобритания

На этот вопрос сложно ответить, если не невозможно, отчасти потому, что мы не знаем ни размеров Вселенной, ни ее конечной судьбы.

Вселенная началась с большого взрыва около 13,8 миллиардов лет назад. До 1998 года космологи ожидали, что гравитация замедлит расширение пространства, потому что галактики притягиваются друг к другу.Согласно преобладающей модели, если бы Вселенная имела критическую плотность, она в конце концов перестала бы расширяться и стала статической. Более высокая плотность, и он рухнет с большим хрустом; меньшая плотность привела бы к его бесконечному расширению.

Критическая плотность составляет около 10-26 кг на кубический метр, что эквивалентно примерно шести протонам на кубический метр. Предполагаемый объем наблюдаемой Вселенной составляет 4 x 10 80 м 3 . Масса — это произведение плотности и объема; использование критической плотности дает ошеломляющую массу 4 x 10 54 кг материи всех типов в наблюдаемой Вселенной.

В 1990-х годах большинство ученых сделали бы ставку на вселенную с критической плотностью, поскольку она лучше соответствовала физике элементарных частиц и требовала существования темной материи, что следует из астрофизических наблюдений.

Однако все ставки были сняты в 1998 году, когда две исследовательские группы независимо друг от друга сообщили, что расширение Вселенной ускоряется. Текущий консенсус состоит в том, что Вселенная состоит из 5% смеси барионной материи (вещества, с которой мы знакомы), 25% темной материи и около 70% темной энергии. Хотя это все еще не поддается окончательному объяснению, темная энергия ведет себя как антигравитация, отталкивая массы, а не притягивая их.

Таким образом, мы можем вычислить массу наблюдаемой Вселенной, если предположим ее плотность, но истинный размер Вселенной ускользает от нас. При вычислении массы Вселенной следует ли считать энергию, учитывая, что энергия и масса эквивалентны? Если мы существуем в мультивселенной, то как мы можем вычислить, какая часть общей массы принадлежит нашей вселенной? Возможно, наша Вселенная — единственная, в которой есть барионная материя.

Хотите отправить нам вопрос или ответ?

Чтобы ответить на этот вопрос или задать новый, напишите по адресу lastword@newscientist.com.

Вопросы должны быть научными исследованиями повседневных явлений, и как вопросы, так и ответы должны быть краткими. Мы оставляем за собой право редактировать элементы для ясности и стиля.Пожалуйста, укажите почтовый адрес, номер телефона для работы в дневное время и адрес электронной почты.

New Scientist Ltd сохраняет за собой полный редакционный контроль над опубликованным контентом и оставляет за собой все права на повторное использование материалов вопросов и ответов, которые были отправлены читателями на любом носителе или в любом формате.

Вы также можете отправить ответы по почте: The Last Word, New Scientist, 25 Bedford Street, London WC2E 9ES.