ВОРОБЬЕВ ЛЕКЦИИ. Лекции 1 Первые космологические модели

• Название: Лекции 1 Первые космологические модели
• Дата: 06.11.2018
• Размер: 128.43 Kb.
• Имя файла: ВОРОБЬЕВ ЛЕКЦИИ.docx
• Тип: Лекции; #55601
• страница: 6 из 8

Лекция 7-8. Современные научные проблемы в области космологии. Современные космологические модели и сценарии развития Вселенной.

В русском языке слово «Вселенная» является производной от старославянского слова «въсєлена», которое, в свою очередь, является производной от  древнегреческого существительного «ойкумена». «Oκουμένη» происходило от глагола «οἰκέω» («населяю, обитаю»). И, таким образом, означало обитаемую часть мира. Русское слово «Вселенная» поэтому родственно существительному «вселение» и одновременно созвучно определительному местоимению «всё».

 

Сингулярная модельнестационарной Вселенной. Открытие красного смещения.

В 1922 году российский математик, живущий в Санкт-Петербурге (тогда Петрограде), Александр Александрович Фридманопубликовал работу, в которой впервые нашел решение уравнений Эйнштейна, описывающее расширяющуюся Вселенную. Работу, в которой впервые изложил сингулярную модель нестационарной (расширяющейся) Вселенной. В этой работе им было высказано утверждение о том, что Вселенная имела свое начало около 13,7 миллиардов лет назад.

Идея расширяющейся Вселенной основывалась на простом допущении, что наша Вселенная выглядит совершенно одинаково во всех направлениях. То есть, на допущении Ее однородности.

Предположение о том, что Вселенная выглядит одинаковой во всех направлениях, конечно же, не совсем отвечает реальности. Например, локальные скопления материи в виде галактик и звезд, образующих на ночном небосклоне отчетливо видимые светящиеся полосы, называемые Млечным Путем - уже говорят о различиях плотности вещества в разных областях Вселенной. Но если мы обратим свой взгляд на далекие галактики, число их, наблюдаемое в разных направлениях, окажется примерно одинаковым. Так что Вселенная однородна во всех направлениях, если рассматривать ее в космических масштабах, сопоставимых с расстояниями между галактиками.

Долгое время допущение однородности нашей Вселенной являлось достаточным обоснованием считать модель А. Фридмана — достаточно грубым приближением к реальной Вселенной. Однако открытие реликтового излучения (однородного во всех направлениях), сделанное в 1965 году, американскими физиками Арно Пенциасом и Робертом Вильсоном, доказало, что предположение Фридмана (относительно однородности) описывает нашу Вселенную с замечательной точностью.

Открытие А. Фридмана по своей значимости можно сравнить разве что с открытием гелиоцентрической системыНиколаем Коперником и Иоганном Кеплером. Тем не менее, имя Николая Коперника знают практически все, включая людей весьма далеких от изучения физики и астрономии, а Александра Фридмана достаточно узкий круг людей. Александр Фридман умер в 1925 году спустя три года после публикации своего открытия. И лишь скромная могила с православным крестом на Смоленском кладбище в Ленинграде в течение нескольких лет напоминала о нем.

Согласно теории А. Фридмана, в самом начале нашей Вселенной расстояние между галактиками должно было быть бесконечно малым или вообще равняться нулю. То есть все (что существует сейчас и обладает какой-либо формой, и благодаря этой форме обладает каким-либо отличием друг относительно друга) находилось в одной, так называемой,  сингулярной точке. Такая точка имеет бесконечно малые размеры. Должна обладать бесконечно большой плотностью. Бесконечно большой внутренней энергией, а значит, быть бесконечно горячей, поскольку температура это всего лишь мера энергии (отсюда, кстати, и название, «Горячий  Взрыв» - термин, который впервые ввел в 1946 году Георгий Гамов, ученик А. Фридмана).

Под расширением Вселенной подразумевается такой процесс, когда то же самое количество элементарных частиц (включая фотоны) занимают постоянно возрастающий объём. Средняя плотность Вселенной в результате расширения постепенно понижается. Из этого следует, что в прошлом Плотность Вселенной была больше, чем в настоящее время.

Первоначальное отношение Эйнштейна к открытию Александра Фридмана было отрицательным, поскольку на тот момент времени он был сильным сторонником идеи стационарной Вселенной, модель которой он изложил еще в 1917 году. Чтобы обеспечить стационарность (неподвижность) Вселенной он вводит в свою модель Вселенной некую величину, так называемую «космологическую постоянную».

Эта величина («космическая постоянная») характеризовала некую силу (предполагала наличие некой силы) антигравитации, которая противостояла и, таким образом, уравновешивала силы взаимного притяжения всех присутствующих во Вселенной объектов. Она противостояла гравитации и, таким образом, обеспечивала стационарность Вселенной. Не позволяла Вселенной (под действием сил гравитации) сойтись в одной сингулярной точке. Свернуться (сжаться) до размеров сингулярной точки. Но, в отличие от силы гравитации, которая всегда существует локально и имеет конкретное место, поскольку возникает и существует там, где существует конкретный материальный объект, обладающий определенной массой, эта антигравитационная сила была равномерно распределена. Она, говоря словам Стивена Хокинга, была буквально «вплетена» в саму ткань пространства-времени. Встроена и равномерно распределена.

Весьма поверхностную аналогию случая с распределенной силой, «встроенной» или, лучше сказать, «впаянной» в саму ткань используемой материи можно провести с технологией современного изготовления закаленного стекла. Такое стекло обладает распределенным внутренним и, так называемым, остаточным напряжением, которое путем химической или термической обработки (так называемой, закалки)  продукта образуется на этапе его изготовления. И, таким образом, обеспечивает резкое упрочнение стекла во  всем его материале. Внутреннее напряжение такого стекла буквально «впаяно» в ткань его материала. Является ее неотъемлемым атрибутом.

Лишь после открытия, так называемого, красного смещения (галактик), осуществленного Эдвином Хабблом в 1929 году, Эйнштейнизменил свою точку зрения. Открытия, согласно которому свет, исходящий от галактик, всегда смещен в сторону красной части видимого спектра.

В 1931 году бельгийский ученый аббат Джордж Леметр, фактически не зависимо от решения Фридмана, описывавшего расширяющуюся Вселенную из сингулярной точки, высказал гипотезу Большого взрыва. Согласно этой гипотезе расширяющаяся Вселенная родилась в результате взрыва первичного атома, с массой порядка массы наблюдаемой Вселенной. Она произошла от «первичного атома», который (в момент Большого взрыва) распался на более легкие частицы. При этом возникла ненулевая энтропия Вселенной и появилась «стрела времени» от прошлого к будущему.

Еще в 17 веке Ньютон обнаружил, что пропущенный через призму солнечный свет распадается на ряд составляющих его цветов (на ряд составляющих его компонентов различной цветности), таких же, как у радуги. На, так называемый, спектр. Направив свой телескоп на определенную звезду или галактику, и пропустив через призму свет, который она, звезда или галактика, излучает, можно разложить этот свет на ряд составляющих его цветов. Получить спектр света данного объекта.

Приступив в 1929 году к исследованию спектров звезд, американский астроном Эдвин Хаббл из Калифорнийской обсерватории сделал одно из самых важных открытий в истории астрономии.

Наблюдая в свой телескоп за некоторыми звездами, Эдвин Хаббл обнаружили поразительный факт. Он заметил, что свет, исходящий от них, всегда смещен в сторону красной части видимого спектра. Из этого он сделал единственно правильный вывод, который заключался в том, что все галактики и звезды удаляются от нас. И это вызывает понижение (уменьшение) частоты световых волн, которые доходят до нас от этих объектов. Вызывает, так называемое, красное смещение вследствие эффекта Доплера. 

Суть этого эффекта состоит в увеличении или уменьшении частоты принимаемого нами сигнала, то есть, сигнала, доходящего до нас от какого-то объекта, по мере приближения или удаления этого объекта.

Прислушайтесь к шуму приближающегося автомобиля. Или к гудку тепловоза, который по мере его приближения к вам становится выше. Не только громче, но и выше. Почему становится выше? Потому что по мере его приближения, увеличивается частота идущего от него и доходящего до нас сигнала. И делается ниже, когда тепловоз удаляется. То же происходит и со световыми или радиоволнами.

В настоящее время эффектом Доплера пользуется дорожная полиция, определяя скорость автомобиля по изменению частоты (по разнице в частое) отражаемого от объекта и, таким образом, принимаемого прибором радиосигнала. По мере приближения автомобиля частота отражаемого им (и принимаемого прибором) сигнала будет меняться. И чем больше будет скорость автомобиля, тем быстрее (больше) будет изменяться частота принимаемого сигнала. Тем будет больше разница в частоте принимаемого сигнала.

Наблюдения Хаббла показали, что все небесные тела движутся в направлении от нас. Из этого следовал вывод: звезды удаляются не только от Земли, но и друг от друга. А это позволило прийти к единственно правильному выводу – Вселенная постоянно «расширяется».

Еще более поразительными оказались результаты, опубликованные Хаббломв 1929 году. Величина красного смещения у каждой из удаляющихся от нас галактик и звезд была пропорциональна расстоянию между землей и наблюдаемой с земли галактикой. То есть, чем далее от нас находилась галактика, тем больше было смещение ее света в сторону красной части видимого спектра. Другими словами, чем дальше от нас находилась галактика, тем быстрее она удаляется.

Представьте воздушный шарик, на поверхности которого фломастером нарисовано несколько пятнышек. При надувании шарика расстояние между любыми двумя пятнышками увеличивается. Более того, чем дальше расходятся пятнышки, тем быстрее они удаляются друг от друга. Сходным образом в модели Александра Фридмана скорость разбегания любых двух галактик пропорциональна расстоянию между ними.

Отсюда следует, что величина красного смещения галактик должна быть прямо пропорциональна их удаленности от Земли, что и обнаружил Хаббл.

Итак, идея расширяющейся Вселенной. Оглядываясь в прошлое, приходится только лишь удивляться, почему никто не додумался до этого раньше. Ньютону, открывшему в 17 веке известную формулу, вошедшую в историю как закон всемирного тяготения, следовало бы понять, что стационарная Вселенная быстро свернулась бы и приняла размеры сингулярной точки под влиянием открытых им же сил тяготения (сил гравитации). Однако вера в стационарную Вселенную была столь незыблема, что продержалась до начала 20 столетия.

Да и сам Эйнштейн, несмотря на то, что идея расширяющейся Вселенной непосредственно следовала из его общей теории относительности, долгое время оставался сторонником идеи стационарности Вселенной. Не в силах расстаться с этой идеей, он, как уже было указано выше,  даже несколько изменил свою теорию, введя в ее уравнения так называемую «космологическую постоянную».

Несмотря на то, что модели Александра Фридмана и Джорджа Леметра соответствовали результатам наблюдений Хаббла, они долгое время оставалась почти неизвестными на западе. О них узнали лишь после того, как в 1935году американский физик Говард Робертсон и английский математик Артур Уокер разработали сходные модели для объяснения открытого Хабблом красного смещения галактик. Фактически это была подгонка под уже существующий ответ.

 

Идея Большого (Горячего) Взрыва. Реликтовое излучение.

В 1948году Георгий Гамов, который некогда был студентом Александра Фридмана, выдвинул идею Большого (Горячего) Взрыва.

Большой Взрыв или как называют его англичане «Big Bang» - этотот самый момент, с которого Вселенная начала расширятся. Напомним, что под расширением Вселенной подразумевается такой процесс, когда то же самое количество элементарных частиц (включая фотоны) занимают постоянно возрастающий объём. Средняя плотность Вселенной в результате расширения постепенно понижается. Из этого следует, что в прошлом Плотность Вселенной была больше, чем в настоящее время.

Существует предположение, что в глубокой древности плотность Вселенной была настолько высокой, что плотность излучения превышала плотность вещества. Иначе говоря, энергия всех фотонов (квантов излучения) содержащихся в 1см³  была больше суммы общей энергии элементарных частиц (свободных электронов, протонов, нейтронов), участвующих впоследствии в построении атома и, таким образом, в построении вещества, содержащихся в 1 см³.

Идея Горячего Взрыва и, таким образом, идея Горячей Вселенной предсказывала важный факт – существование в настоящее время электромагнитного реликтового излучения. Излучения, оставшегося от периода, близкого к эпохе Планка. Эпоха Планка - первые 10 в минус 43 степени секунды (10⁻⁴³  секунды) существования Вселенной.

Излучения, высвободившегося в момент образования первых атомов (атомов водорода, дейтерия и гелия), сохранившегося, таким образом, с начальных этапов существования Вселенной и равномерно её заполняющее по настоящее время.

Почему мы здесь используем слово «высвободилось»? Что значит, излучение высвободилось? Чаще всего говорят, что до этого излучение было заперто в материи. Но это будет неправильно. Правильно говорить, что излучение было заперто в плазме. В том, что из себя, представляла тогда материя. Но что такое плазма?

Плазма – это не излучение и пока еще не вещество, однако уже содержит в себе элементарные частицы, часть из которых идет впоследствии на построение вещества, а часть образует излучение. Это то, что содержит в себе в свободном (незадействованном) виде свободные элементарные частицы. А именно: электроны, их античастицы - позитроны, протоны, нейтроны и фотоны. Часть из них: электроны, протоны и нейтроны идут впоследствии на построение атома и, таким образом, на построение вещества (а вещество, как мы знаем, состоит из атомов). А оставшиеся, незадействованные в построении вещества фотоны, образуют излучение. Так называемое реликтовое излучение.

После его открытия в 1965 году, это излучение получило название «космической фоновой радиации» или «космического фонового излучения», или «первого света». Или, как уже было указанно выше, «реликтового излучения». «Реликтового» в том самом смысле, что оно оставалось с тех самых ранних времен. С времен, близких к эпохи Планка (первые 10 в минус 43 степени секунды существования Вселенной, с самого начала Ее расширения). Латинское слово «relictum» – в переводе на русский означает «остаток».

Гамов даже предсказал температуру этого излучения и длину его волны. Температура этого излучения должно было составлять 5 градусов по шкале Кельвина и должно быть иметь длину волны в сантиметровом или миллиметровом диапазонах. То есть, в сверхвысокочастотном диапазоне волн.

В дальнейшем, по мере своего расширения Вселенная стала остывать. Что, таким образом, сопровождалось потерей энергии разбегающихся друг относительно друга частиц. Наконец наступает момент, когда частицы уже не обладают такой энергией, которая позволила бы им преодолевать силы взаимного притяжения, обусловленные электромагнитным взаимодействием и сильным  взаимодействием, и они начинают слипаться.

Объединяясь, протоны и нейтроны образовали ядра тяжелого водорода-дейтерия (один протон и нейтрон) и гелия (два протона и два нейтрона). Оставшиеся, незадействованные  протоны пошли на формирование ядер обычного водорода (один протон). По мере дальнейшего остывания и потери энергии, к образовавшимся ядрам присоединились электроны, и тогда образовались атомы.

Содержащиеся ранее в плазме вместе с фотонами, электроны, протоны и нейтроны пошли, таким образом, на построение атомов и, таким образом, на построении вещества, оставив в свободном, незадействованном виде фотоны.

Принято говорить, что на этом этапе – на этапе образования атомов – вещество отделилось от излучения. И, соответственно, излучение – от вещества. Что это значит?

Когда говорят, что излучение отделилось от вещества, это означает следующее. Оставшиеся свободными (незадействованными в построении вещества) фотоны отделились от электронов, протонов и нейтронов, поскольку те уже были задействованы в построение вещества (и, таким образом, уже не могли взаимодействовать с фотонами), и в свободном виде образовали излучение.

Реликтовое излучение – это и есть те фотоны, которые отделились от вещества (от протонов, нейтронов и электронов, уже задействованных к тому времени в построении вещества) и до сих пор достигают Землю через пространство продолжающей расширяться Вселенной.

Фотон (греческое слово «φωτός» в переводе на русский означает, «свет») — самая распространённая по численности частица во Вселенной. Элементарная частица, масса покоя которой равняется нулю, но которая  способна существовать, только двигаясь со скоростью света.

Поэтому не существует системы отсчёта, относительно которой (или, другими словами, в которой) фотон покоится.

Как видно, такое определение уже содержит в себе изрядную долю противоречия. Фотон обладает нулевой массой, находясь в том состоянии, в котором он находиться не может.

Электрический заряд фотона также равен нулю.

Фотону свойственен корпускулярно-волновой дуализм. С одной стороны, фотон выступает частицей. С другой, демонстрирует свойства электромагнитной волны в явлениях  дифракции и интерференции.

Излучение, таким образом, можно представить, как и в форме потока элементарных (точечных) частиц, так и в форме распространяющейся электромагнитной волны.

В большинстве теорий, разработанных до 18 века, свет рассматривался как поток частиц. Одна из первых таких теорий была изложена в «Книге об оптике» Ибн ал-Хайсамом в 1021 году.

В ней учёный представлял световой луч в виде потока мельчайших частиц, которые «испытывают нехватку всех заметных качеств, кроме энергии». В те времена под «заметными качествами» полагали, прежде всего, размер и массу. Из этого следовало, что свет представляет собой поток частиц, испытывающих нехватку в размере и массе, кроме энергии. То есть, частиц, лишенных размера и массы, но обладающих энергией.  Такое определение очень сильно напоминает сегодняшнее «корпускулярное» определение света, согласно которому свет представляет собою поток фотонов, - микроскопических частиц, лишенных массы и являющейся одновременно минимальной и неделимой порцией энергии. И это в 11 веке!

Термин «фотон» был введён химиком Гилбертом Льюисомв 1926 году.  В настоящее время фотон рассматривается как квант электромагнитного излучения. Как неделимая и минимальная порция электромагнитного излучения (света). Подобно тому, как ранее атом считался минимальной и неделимой частицей (порцией) материи.

Итак, в соответствии с теорией Георгия Гамова, реликтовое излучение – это и есть те фотоны, которые отделились от вещества (от протонов, нейтронов и электронов, уже задействованных к тому времени в построении вещества) и до сих пор достигают Землю через пространство  расширяющейся Вселенной.

В течение последующих двух десятилетий были сделаны наблюдения, которые подтвердили гипотезу Гамова.

В 1955 году аспирант-радиоастроном Тигран Арамович Шмаонов,проводя (в Пулковской обсерватории под руководством С. Э. Хайкина и Н. Л. Кайдановского) исследования радиоизлучения из космоса на длине волны 32 см, экспериментально обнаружил шумовое излучение.

Температура этого излучения составляла  4 ± 3 градусов по шкале Кельвина. Шмаонов отмечал постоянство интенсивности излучения, независимо от направления на небе и от времени. После защиты диссертации он опубликовал об этом статью в астрономическом журнале «Приборы и техника эксперимента».

В 1965году два американских физика Арно Пенциас и Роберт Вильсон, осуществлявших (в лаборатории фирмы «Белл» в штате Нью-Джерси) над разработку сверхчувствительного приемника сверхвысокочастотного (микроволнового) излучения для связи с орбитальными искусственными спутниками - случайно обнаружили неизвестную форму излучения.

Они обратили внимание на то, что их приемник улавливает больше шума, чем следовало бы ожидать. Причем этот дополнительный (посторонний) шум идет ото всех направлений.

Сначала они подумали, что это происки красных. Потом очистили свою приемную антенну от птичьего помета, скопившегося внутри нее за несколько месяцев, но это не привело ни к какому результату.

Дополнительный шум оставался одинаковым. Независимо от того, в каком направлении они поворачивали антенну. Из этого они сделали заключение, что источник шума находится далеко за пределами атмосферы.

Шум оставался неизменным и днем и ночью на протяжении всего года, несмотря на вращение Земли вокруг ее оси и ее обращение вокруг Солнца. Из этого они сделали заключение, что данное излучение идет ото всех направлений. Иначе интенсивность сигнала менялась бы по мере вращения Земли и, таким образом, по мере вращения самой антенны, которая находилась на поверхности Земли и которая по мере своего вращения занимала самые различные направления. Из этого они сделали вывод, что этот вид излучения приходит к нам из-за «пределов» Солнечной системы и даже из-за «пределов» нашей Галактики.

Вследствие необыкновенной однородности этот вид излучения не был похож ни на какой-либо другой вид излучения во Вселенной. Являясь непосредственным следствием Большого (Горячего) Взрыва, «космического фоновая радиация» не локализовалась в каком-то определенном месте и не имела какого-либо определенного источника. Напротив, она была равномерно распределена повсюду. При этом температура излучения составляла 3 (2,725) градуса по шкале Кельвина. Георгий Гамов предсказал 5 градусов. АШмаоновопределил температуру этого излучения в 4 градуса. Небольшая разница, не правда ли?

Таким образом, совершенно случайно Арно Пензиас и Роберт Вильсон нашли поразительно точное подтверждение идей Александра Фридмана и его ученика Георгия Гамова. За это открытие Пензиас и Уилсон были удостоены Нобелевской премии по физике 1978году.

Из этого из всего следовал еще один интереснейший вывод. Коль скоро «космического фоновая радиация», являясь следствием Большого взрыва, одинакова в разных направлениях - то и Вселенная должна быть также однородна во всех направлениях. Сейчас  нам известно, что в каком бы направлении мы ни обратили свой взгляд, в одном кубическом метре космического пространства содержится около одного миллиарда фотонов реликтового излучения.