|
|
Теория Г. Гамова. Доклад по основам научно-исследовательской деятельности. Идея Большого Горячего Взрыва Георгия Гамова. Открытие реликтового (фонового) излучения
Идея Большого Горячего Взрыва Георгия Гамова. Открытие реликтового (фонового) излучения
Большо́й взрыв — общепринятая космологическая модель, описывающая раннее развитие Вселенной, а именно — начало расширения Вселенной, перед которым Вселенная находилась в сингулярном состоянии.
Согласно теории Большого взрыва, Вселенная в момент образования была в чрезвычайно плотном и горячем состоянии, называемом космологической сингулярностью.
Теория Большого взрыва является лишь одной из многих предложенных гипотез возникновения Вселенной, однако она получила самое широкое признание и популярность. Она не только объясняет источник всей известной материи, знаков физики и большую структуру Вселенной, она также описывает причины расширения Вселенной и многие другие аспекты и феномены.
Первым ученым, который применил космологические идеи в попытке понять происхождение химических элементов, стал Георгий Гамов.
Гео́ргий Анто́нович Га́мов (также известен как Джордж Гамов) — советский и американский физик-теоретик, астрофизик и популяризатор науки. Известен своими работами по квантовой механике, атомной и ядерной физике, астрофизике, космологии, биологии.
В 1948 году Георгий Гамов, который некогда был студентом Александра Фридмана, выдвинул идею Большого (Горячего) Взрыва.
Космология Большого Взрыва - так назвал свою концепцию Гамов, более известную у нас как теория горячей Вселенной. По его теории, вначале был взрыв. Он произошел одновременно повсюду во Вселенной, заполнив пространство горячим веществом, из которого через миллиарды лет образовались все наблюдаемые тела Вселенной - Солнце, звезды, галактики, планеты и мы сами.
С середины 40-х годов он заинтересовался ранней историей Вселенной, начальными этапами космологического расширения. Побудительным мотивом в этом новом обращении к космологии стало стремление обьяснить происхождение химических элементов, их относительную распространенность во Вселенной. Гамов предположил, что сначала был горячий, плотный газ. И он состоял из нейтронов — очень нестабильных частиц, которые быстро распадаются и образуют атомы водорода. А сталкиваясь друг с другом, они могут образовывать еще и гелий.
Гамов вместе со своим аспирантом Альфером выяснил, что получить так гелий действительно несложно. Однако более тяжелые элементы, которые тоже присутствуют во Вселенной, просто не успели бы сформироваться — Вселенная остыла б раньше, чем бы завершился процесс. Гамова это не смутило. Никогда не сомневавшийся в своих силах ученый заявил, что его теория объясняет происхождение 99% видимой Вселенной.
В своей космологической теории он выделял прежде всего два аспекта: синтез элементов и космическое излучение. Они тесно связаны: синтез элементов возможен лишь при высокой температуре; но в разогретом веществе, согласно общим законам термодинамики, всегда должно иметься и излучение, находящееся с ним в тепловом равновесии. После эпохи нуклеосинтеза, которая длилась всего несколько минут, излучение никуда не исчезает и продолжает движение вместе с веществом в ходе общей эволюции расширяющейся Вселенной. Оно должно сохраниться и к настоящей эпохе, только его температура должна быть - из-за значительного расширения - гораздо ниже, чем вначале. Такова качественная сторона дела. Количественное решение проблемы предполагает объяснение и предсказание конкретных величин - космической распространенности атомных ядер и современной температуры остаточного излучения.
В итоге этой большой многолетней коллективной деятельности ученых разных стран, инициированной Гамовым, стало очевидным, что космическая распространненность двух главных элементов - водорода и гелия - действительно может быть объяснена ядерными реакциями в горячем веществе ранней Вселенной. Более тяжелые элементы должны, по-видимому, синтезироваться иным путем, например, при вспышках сверхновых звезд.
Идея Горячего Взрыва и, таким образом, идея Горячей Вселенной предсказывала важный факт – существование в настоящее время электромагнитного реликтового излучения.
Рели́ктовое излуче́ние, косми́ческое сверхвысокочасто́тное фо́новое излуче́ние — равномерно заполняющее Вселенную тепловое излучение, возникшее в эпоху первичной рекомбинации водорода.
Первое случайное обнаружение произошло в 1941 году. Изучая поглощение света звезды счозвездия Змееносца молекулами Циана в межзвёздной среде, Эндрю Мак-Келлар отметил, что наблюдаются линии поглощения не только для основного вращательного состояния этой молекулы, но и для возбуждённого, причём соотношение интенсивностей линий соответствует температуре CN 2,3 К. В то время это явление не получило объяснения.
В 1948 году реликтовое излучение было предсказано Георгием Гамовым, Ральфом Альфером и Робертом Германом на основе созданной ими первой теории горячего Большого взрыва. Более того, Альфер и Герман смогли установить, что температура реликтового излучения должна составлять 5 К, а Гамов дал предсказание в 3 К. Хотя некоторые оценки температуры пространства существовали и до этого, они обладали несколькими недостатками. Во-первых, это были измерения лишь эффективной температуры пространства, не предполагалось, что спектр излучения подчиняется закону Планка. Во-вторых, они были зависимы от нашего особого расположения на краю галактики Млечный Путь и не предполагали, что излучение изотропно. Более того, они бы дали совершенно другие результаты, если бы Земля находилась где-либо в другом месте Вселенной.
Результаты Гамова широко не обсуждались. Однако они были вновь получены Робертом Дикке и Яковом Зельдовичем в начале 1960-х годов. В 1965 году Арно Пензиас и Роберт Вудроу Вильсон построили прибор, аналогичный радиометру Дикке, который они намеревались использовать не для поиска реликтового излучения, а для экспериментов в области радиоастрономии и спутниковых коммуникаций. При калибровке установки выяснилось, что антенна имеет избыточную шумовую температуру в 3,5 К, которую они не могли объяснить. После совместного обсуждения группы из Принстона и Холмдейла заключили, что такая температура антенны была вызвана реликтовым излучением.
Спектр наполняющего Вселенную реликтового излучения соответствует спектру излучения абсолютно чёрного тела с температурой 2,725 кельвина. Его максимум приходится на частоту 160,4 ГГц (микроволновое излучение), что соответствует длине волны 1,9 мм. А плотность такого излучения составляет 400-500 фотонов на см3. По данным наблюдений спутника и математическим расчетам реликтовое излучение как бы стоит на месте, а все галактики и созвездия движутся относительно него с огромной скоростью, порядка сотни километров в секунду. Это как наблюдать в окно движущегося поезда. Температура реликтового излучения в направлении созвездия Льва на 0,1% выше, а в противоположном направлении на 0,1% ниже. Это объясняет движение Солнца в сторону данного созвездия относительно реликтового фона.
Сегодняшнее сантиметровое излучение имеет яркостную температуру чуть меньше 3 градусов абсолютной шкалы Кельвина. А примерно 380 т.л. после Большого взрыва, когда Вселенная была несравненно меньшей, каждая точка (атом) во вселенной имела температуру порядка 3000 К.
С тех пор и «засыпана» наша Вселенная квантами непрерывно остывающего излучения. Потому-то «размазанное» по Вселенной сантиметровое радиоизлучение и получило название
Реликтовое. |
|
|
Скачать 21.34 Kb.