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: 7 из 8

Темная материя и темная энергия.

В 1998 году группа ученых, возглавляемая американским астрофизиком Алексеем Филиппенко осуществляя свои наблюдения сверхновых в далеких галактиках, обнаружили ускоренное расширение Вселенной. В1979 году английский астроном Д. Уолш впервые открыл, так называемую, гравитационную линзу.

Эти два разных открытия натолкнули на мысль относительно существования темной материи и еще более загадочной субстанции темной энергии.

Относительно существования темной материи в современных научных кругах существуют серьезные опасения. Основанием этих опасений служит тот факт, что темную материю нельзя непосредственно видеть, а физика элементарных частиц до сих пор не обнаружила частицы темной материи. 

Согласно последним определениямтёмная материя — это такая форма материи, которая не испускает электромагнитного излучения (и не взаимодействует с ним). Это свойство данной формы материи делает ее невидимым. И, таким образом, делает невозможным её прямое наблюдение.

Тем не менее, темная материя обладает одним общим свойством с обычной барионной материей (материей, состоящей из электронов, протонов и нейтронов). Так же как и обычная барионная материя (вещество), она способна собираться в сгустки. Размером, скажем, с галактику или скопление галактик. То есть, так же как обычная материя, она участвует в гравитационном взаимодействии. Этим-то единственным свойством она себя и обнаруживает (проявляет), взаимодействуя гравитационно с обычной (светящейся, барионной) материей. 

Подводя краткий итог всему выше изложенному, можно сказать, что темная материя – это такая материя, которая невидима, поскольку не излучает (не испускает фотонов) и которая проявляет (обнаруживает) себя только гравитационно – посредством гравитационного взаимодействия с «обычной» (барионной) материей.

Каким же образом появилась идея существования темной материи? По наличию, так называемой, скрытой массы, существование которой подтверждают эксперименты по гравитационному линзированию.

Скрытая масса, что это значит? Попробуем разобраться.

Как уже было указано выше, в1979 году английский астроном Д. Уолш впервые наблюдал гравитационную линзу. Здесь должно сказать, что в качестве таковой может выступать любой небесный объект, который искривляет проходящие в непосредственной близости от него лучи света под действием собственной гравитации.

Объяснение явления гравитационной линзы (как вы, наверно, уже догадались) лежит в рамках общей теории относительности. В соответствии с ней, любое материальное тело, обладающее массой, деформирует (продавливает собственной массой) пространство и подобно линзе искривляет прямолинейный луч света, который проходит по этому, искривленному (деформированному) пространству.

Иными словами, чем больше масса объекта, тем больше оно, пространство, деформируется. А тем больше величина деформации, тем больше величина гравитационной силы, с которой данный объект воздействует на находящиеся рядом другие объекты. В том числе и на луч света, проходящий в непосредственной от него близости.

Деформацию пространства может, к примеру, вызвать скопление галактик. Таким образом, световой луч, который идет от объекта, лежащего за скоплением этих галактик, и который проходит в непосредственной от них близости, в силу деформации пространства, будет искривляться (отклоняться от своего первоначального прямолинейного направления). Поскольку искривление света, идущего от такого объекта, зависит от количества массы в скоплении, независимо от того, что эту массу создает (какие частицы эту массу создают), то по величине искривления света можно определить массу этого скопления.

То есть, по силе (интенсивности) искажения изображения объекта, который лежит за скоплением этих галактик, выступающих в роли этакой гравитационной линзы, можно определить  их, галактик, полную массу.

И вот ведь она, незадача. Определенная таким образом масса каждый раз оказывалась ощутимо больше, чем ожидаемая масса. Чем масса видимой части скоплений. Чем масса видимой материи (видимого вещества) этих скоплений. Отсюда следовал неизбежный вывод, что какая-то часть материи, содержащаяся в этих скоплениях (которая обладает определенной массой) просто невидима. Эту невидимую материю назвали темной материей.

Но еще более не ясен облик темной энергии.

Как уже отмечалось, в 1998 году группа ученых, возглавляемая американским астрофизиком Алексеем Филиппенко осуществляя свои наблюдения за сверхновыми в далеких галактиках, обнаружили ускоренное расширение Вселенной. До 1998года большинство астрофизиков полагало, что со временем скорость расширения Вселенной падает под действием сил гравитации.

Понятно, что силы взаимного притяжения всех присутствующих во Вселенной объектов замедляет разбегание этих объектов и, таким образом, замедляет  расширение Вселенной в целом.

К чему торможение приведет — зависит от суммарной массы Вселенной.

Чем больше масса Вселенной, тем более силы взаимного притяжения между отдельными частями этой Вселенной. И если масса Вселенной достаточно велика, то эти гравитационные силы постепенно остановят расширение и расширение сменится сжатием.

Движение пойдет в противоположном направлении, галактики начнут двигаться друг к другу. В конечном итоге под действием сил гравитации расстояние между двумя соседними галактиками уменьшается до нуля. И Вселенная «сойдется» в одной сингулярной точке, из которой когда-то начала расширяться. Если же масса Вселенной меньше некоторой критической массы, то расширение будет продолжаться вечно (обычно принято говорить не о массе, а о плотности, которая связана с массой простым соотношением, известным из школьного курса: плотность есть масса, деленная на объем).

«Открытие» темной материи, как говориться, внесло свою лепту и  подтвердило самые нехорошие на этот счет опасения. Оно говорило о том, что масса Вселенной значительно выше, чем масса обычного видимого вещества. То есть, значительно выше, чем ранее предполагалось. И, скорее всего, близка к критической.  А, возможно, что даже равна ей.

Расширяясь, Вселенная, образно выражаясь, должна была натягивать ткань пространства-времени, замедляя свое расширение. Но данные наблюдений 1998 года указывали на обратное: Вселенная расширяется с ускорением.

Итак, еще раз: астрономические наблюдения свидетельствуют о том, что Вселенная расширяется с ускорением. Что, таким образом, уже говорит о наличии антигравитации, которая противостоит гравитации (способствующей замедлению расширения Вселенной) и, таким образом, способствует разбеганию галактик, придает этому разбеганию ускорение. Обычное гравитационное притяжение замедляло бы разбегание галактик, а в нашей Вселенной, получается, всё наоборот.

Здесь бы самое время вспомнить о «космологической постоянной». О той самой величине, введенной еще Альбертом Эйнштейном,с целью преодоления сил гравитации и, таким образом, с целью обеспечениястационарности (неподвижности) нашей  Вселенной. Эта «космическая постоянная» характеризовала некую силу антигравитации, которая была буквально «вплетена» в саму ткань пространства-времени, которая противостояла и, таким образом, уравновешивала силы взаимного притяжения всех присутствующих во Вселенной объектов в условиях стационарной Вселенной. Буквально вплетена и распределена. Она противостояла гравитации и, таким образом, не позволяла Вселенной (под действием сил гравитации) сойтись в одной сингулярной точке.

Как уже было указано только что, введенная Альбертом Эйнштейном«космологическая постоянная» действовала в условиях стационарной Вселенной. Она-то и обеспечивала эту стационарность.В условиях же расширяющейся Вселенной эта «космическая постоянная» придала бы этому расширению некое ускорение.

Но большинство пошло по несколько иному пути.

Было сделано предположение, что носителем этой антигравитации (поскольку антигравитация не могла существовать сама по себе) является, так называемая, темная энергия. Поскольку ускоренное расширение происходит одновременно повсюду, то неизбежно заключение, что эта субстанция буквально пронизывает всю нашу Вселенную. Подобно темной материи она не собирается в сгустки, а равномерно «разлита» во Вселенной. Равномерно распределена. И, говоря опять же словам Стивена Хокинга, буквально «вплетена» в саму ткань пространства-времени.

Совершенно ясно, что по большому счету, так называемая, темная энергия, является не более, чем эквивалентом «космологической постоянной», присутствующей в условиях расширяющейся Вселенной и придающей этому расширению некоторое ускорение.

 

Теория струн. Основана на гипотезе, согласно которой: любая элементарная частица представляет собою микроскопическую колеблющуюся струну (микроскопическую петлю, состоящую из бесконечно тонкой струны, длина которой сопоставима с планковской длинной -10⁻³⁵ м.). Струну, которая совершает определенный тип колебания. И в силу своей вибрации (колебания) представляется на расстоянии точечной частицей. Существует множество типов колебаний. Конкретный тип элементарной частицы определяется конкретным типом колебания. Отличие в свойствах и, таким образом, отличие одного типа элементарных частиц от другого сводится к отличию одного типа колебаний от другого.

С помощью этой гипотезы стало понятно, почему, например, массы элементарных частиц именно такие, какие есть, а не какие-то там другие. Масса конкретной частицы так же определяются конкретным видом колебания. Чем больше частота колебания, тем больше энергия, накопленная в таком колебании. И, в соответствии с формулой Эйнштейна E=mc², тем больше масса частицы, в роли которой проявляет себя колеблющаяся струна (которую «образует» колеблющаяся струна). Электрон представляет собой струну, совершающую один вид колебания, и потому имеет именно такую массу. Кварки, из которых состоят протоны и нейтроны – другой вид колебания, и потому обладают именно такой массой.

Существует предположение, что теория струн применима не только к элементарным частицам, но и ко всем четырем типам взаимодействия, А их у нас четыре: гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое. В основе этого предположения лежит иное предположение, согласно которому: каждому типу взаимодействия соответствует своя частица. Та самая частица, которая может рассматриваться как наименьшая и неделимая порция (квант) этого взаимодействия. Наименьший и неделимый носитель. Переносчик этого взаимодействия. Глюон – минимальная и неделимая порция (квант) сильного взаимодействия. Бозон (калибровочный) – квант слабого взаимодействия. Гипотетическая, то есть, неподтвержденная экспериментально, частица гравитон – квант гравитационного взаимодействия.

Из всех четырех типов взаимодействия нам наиболее известны два типа. Это гравитационное и электромагнитное взаимодействия.

Так же известно, что гравитационное взаимодействие возникает между материальными телами, обладающими массой. И чем больше будет масса вещества, тем сильнее будет гравитационное взаимодействие. Аналогично, электромагнитное взаимодействие возникает между материальными объектами, обладающими электрическими зарядами. И они, заряды, играет ту же роль, что и масса для гравитационного взаимодействия. Как известно, тела с одинаковыми зарядами отталкиваются. А с разными – притягиваются.

Гравитационное взаимодействие наиболее привычно для нас – благодаря ему наша планета удерживается на орбите, вращаясь вокруг Солнца, а мы находимся на земле. Однако, по существу, гравитационное взаимодействие является чрезвычайно слабым. Единственная причина, по которой оно нам кажется сильным - это чрезвычайная малая масса человека и всех других существ на поверхности нашей планеты относительно ее массы. То есть благодаря отношению масс, которое явно не в пользу этих существ.

 Итак, по своей сути, гравитационное взаимодействие является чрезвычайно слабым. Если его сопоставить с электромагнитным взаимодействием, и при этом задаться банальным вопросом: «какое из этих взаимодействий сильнее»? – то ответ будет явно не в пользу гравитационного взаимодействия.

Единственная причина, по которой электромагнитные взаимодействия не доминируют полностью над гравитационными силами в окружающем нас Вселенной, заключена в том, что большинство тел состоит из одинакового числа положительных и отрицательных частиц, и, в результате, создаваемые ими силы нейтрализуют друг друга.

Но что такое сильное и слабое взаимодействия? В течение некоторого времени многие физики считали, что протоны, нейтроны и электроны являются «атомами» в том смысле, который вкладывали в это слово древние греки. То есть, являются неделимыми частицами-порциями материи. Однако эксперименты, проведенные в 1968 году на Стэнфордском линейном ускорителе, продемонстрировали, что ни протоны, ни нейтроны не являются неделимыми. Что они состоят из трех частиц меньшего размера, названных кварками. Это вымышленное название было позаимствовано у одного из произведений ирландского писателя Джеймса Джойса,автора известных романов «Улисс» и «Поминки по Финнегану».

Так вот, если протон, который является неотъемлемой составляющей атомного ядра, состоит из положительных кварков, то он неминуемо должен погибнуть, еще не успев родиться. Кварки, как положительные частицы, в результате электромагнитного взаимодействия разлетелись бы в разные стороны. Таким образом, было открыто новое, внутриатомное (существующее на субатомном уровне – внутри ядер) взаимодействие, получившее название сильного взаимодействия. Взаимодействие между составляющими эти протоны кварками, которое преодолевает силы отталкивания, обусловленные электромагнитным взаимодействием, и удерживает кварки вместе. То самое взаимодействие, которое удерживает кварки в «склеенном» состоянии внутри протонов и нейтронов. И оно же удерживает протоны и нейтроны плотно «упакованными» в атомном ядре.

Несколько ранее было открыто слабое взаимодействие, наиболее известное проявление, которого было связано с радиоактивным распадом таких веществ, как уран и кобальт. Первые предсказания его были сделаны еще в конце 30-х годов итало-американским физиком Энрико Ферми.

Как уже было указано, сильное и слабое взаимодействия менее известны. Это вызвано тем, что они быстро убывают с расстоянием и играют существенную роль только на субатомном уровне – внутри ядер. То, что они существуют лишь на внутриатомном, а, вернее сказать, на внутриядерном уровне - в этом, кстати, и состоит основная причина того, что они были открыты совсем недавно.

Так вот, если предположить, что каждому типу взаимодействия соответствует своя частица – минимальная и неделимая порция (квант) этого взаимодействия - то можно предположить, что эта частица, как и любая элементарная частица, представляет собою струну, совершающую определенный вид колебания. То есть, образно говоря, сводится к какому-то виду колебания струн. Один и тот же принцип справедлив и для элементарных частиц и для частиц, переносящих взаимодействия. Фотоны, калибровочные бозоны слабого взаимодействия и глюоны состоят из абсолютно одинаковых струн, совершающие разные типы колебаний. Как и в случае с элементарными частицами, отличие в свойствах и, таким образом, отличие одного типа взаимодействия от другого - сводится к отличию одного типа колебаний от другого.

Существует мнение, что теория струн реально претендует на роль теории ВСЕГО. Что это значит? И что означает теория ВСЕГО?

Разработкой этой теории занимался еще Эйнштейн.

Поскольку сильное и слабое взаимодействия во времена Эйнштейн  еще не были неизвестны, он уделял большое внимание изучению двух известных, но абсолютно различных взаимодействий – гравитационного и электромагнитного, пытаясь найти некое общее основание. То, что могло бы их объединить. Cвести - к одному.

Это стало причиной тридцатилетнего исследования, посвященного поиску некой универсальной теории. Теории ВСЕГО. Или, так называемой единой теории поля, которая, как он полагал, сможет продемонстрировать, что эти два взаимодействия - есть не более, чем проявление одного фундаментального принципа. Эти поиски общего основания изолировали Эйнштейна от основного направления в развития физики, которая, по тем временам, была занята разработкой новой дисциплины – квантовой механики. Поиски общего основания ни к чему конкретному не привели.

Итак, что это за теория ВСЕГО? Почему, именно ВСЕГО? ВСЕ – это не значит одна лишь материя (вещество). Или одни лишь взаимодействия. ВСЕ – это все. И то, и другое. Все, вместе взятое. Теория ВСЕГО – следовательно, это такая теория, которая способна найти и предоставить нам общее основание ВСЕГО (и материи, и всем четырем взаимодействиям). Чтобы посредством него свести это ВСЕ к одному. Нагляднейшим образом нам показать, что это ВСЕ – является различными проявлениями одного и того же. Некоего одного, фундаментального начала-принципа.

Существует мнение, что теория струн реально претендует на роль этой теории ВСЕГО, поскольку находит и представляет нам то самое общее основание, которое объединяет все четыре типа взаимодействий и саму материю. Наглядно показывает нам, что все типы материи, как  и все четыре типа ее взаимодействия – суть не более, чем различные проявления одного фундаментального начала.

Что материю и все четыре фундаментальных взаимодействия Вселенной можно свести к одному. К одному фундаментальному началу-принципу – колебанию одномерной струны с соответствующим переносом энергии.

 

Инфляционная модель расширяющейся Вселенной.

Картина Вселенной, которая в начале своего развития была очень горячей и остывавшей по мере расширения, хорошо согласуется с данными наблюдений, которые мы имеем сегодня. Тем не менее, она оставляет без ответа ряд важных вопросов.

Во-первых, почему Вселенная столь однородна в больших масштабах? Почему она выглядит одинаково во всех направлениях? И почему пространственная кривизна наблюдаемой Вселенной стремится к нулю?

Во-вторых. Несмотря на однородность Вселенной в целом, она содержит локальные скопления материи в виде галактик и звезд, образующих на ночном небосклоне отчетливо видимые светящиеся полосы, называемые Млечным Путем. Что уже говорят о различиях плотности вещества в разных областях Вселенной. Но из-за чего возникли эти различия плотности?

Итак, почему, несмотря на однородность Вселенной в целом, она содержит такие немаловажные неоднородности, как звезды, галактики, скопления галактик?

И здесь возникает гипотеза предельно точного подбора параметров исходного состояния нашей Вселенной. Что это значит?  Чтобы получить то самое распределение материи и ту самую неоднородность Вселенной, которое мы наблюдаем в форме таких немаловажных неоднородностей, как звезды, галактики, скопления галактик, а в конечном итоге получить ту самую область нашей Вселенной, которую пригодна для развития разумной жизни - исходное Ее состояние должно характеризоваться очень высокой степенью организованности.

Без такой параметризации, без введения четких параметров в исходное состояние нашей Вселенной - невозможно получить наблюдаемое распределение материи во Вселенной.

Кроме того, очевидно, что наша разумная жизнь никогда не возникла бы (по крайней мере, в том состоянии, в каком она существует сейчас), будь законы Вселенной устроены несколько иначе. Или, если бы Ей управляли те же законы, что и сейчас, но c другими величинами физических постоянных-констант (с которыми законы работают). Почему мы имеем именно эти законы, а не какие-либо иные? Почему те законы, которые мы имеем, имеют именно данный набор констант, а не какой-либо иной?

Как вы, наверно, уже догадались, речь здесь идет о, так называемой, тонкой настройке сегодняшней Вселенной, необходимой для возникновения и существования разумной жизни. Чтобы возникло то, что мы видим вокруг себя, и чтобы во Вселенной возникло бы место, где могла возникнуть жизнь, необходимо, чтобы Она была тонко настроена. Сам факт существования человека уже говорит о достаточно четкой упорядоченной структуре Вселенной, которая создала условия для его возникновения.

То есть, речь здесь опять же идет об изначальных параметрах. О предельно точной параметризации исходного состояния Вселенной. Чтобы в конечном итоге возникла именно эта настройка Вселенной, и чтобы возникла область Вселенной с необходимыми условиями для возникновения человека, изначальные параметры изначального состояния Вселенной должны быть выбраны с особой тщательностью.

Но тогда возникает вопрос. Каким образом получилось так, что исходное состояние Вселенной характеризовалось очень высокой степенью организованности? Каким образом эта организованность возникла? Каким образом в исходном  состоянии Вселенной появились (четко подобранные) параметры, которые и обеспечили высокую степень организованности этого исходного состояния? Вопрос, на который никто не мог ответить. Так возникла проблема предельной точной настройки исходного состояния нашей Вселенной.

Чтобы избежать описанных трудностей, связанных с проблемой предельно точной параметризации исходного состояния Вселенной в 1980 году Алан Гут из Массачусетского технологического института и Алексей Старобинский из Института теоретической физики им. Ландау независимо друг от друга - предложили свою версию теории Большого Взрыва.