Реферат: Расширяющаяся Вселенная и красное смещение. Реферат расширяющаяся вселенная

Реферат - Расширяющаяся Вселенная и красное смещение

--PAGE_BREAK--Происхождение Вселенной Донаучноерассмотрение происхождения Вселенной С чего все пошло? Как все космическое стало таким, каким оно предстает перед человечеством? Какими были те исходные условия, которые положили начало наблюдаемой Вселенной?

Ответ на эти вопросы менялся с развитием человеческой мысли. У древних народов происхождение Вселенной наделялось мифологической формой, сущность которой сводится к одному – некое божество создало весь окружающий Человека мир. В соответствии с древнеиранской мифопоэтической космогонией Вселенная является результатом деятельности двух равносильных и взаимосвязанных творящих начал – бога Добра – Ахурамазды и бога Зла – Ахримана. Согласно одному из ее текстов, прасуществом, разделение которого привело к образованию частей видимой Вселенной, был изначально существующий Космос. Мифологическая форма происхождения Вселенной присуща всем существующим религиям.

Многие выдающиеся мыслители далеких от нас исторических эпох пытались объяснить происхождение, строение и существование Вселенной. Заслуживают особого уважения их попытки при отсутствии современных технических средств посредством только своего ума и простейших приспособлений осмыслить сущность Вселенной. Если совершить небольшой экскурс в прошлое, то обнаружится, что идея эволюционирующей Вселенной, взятой на вооружение современной научной мыслью, выдвигалась еще древним мыслителем Анаксагором (500-428 до н.э.). Заслуживает внимания и космология Аристотеля (384-332 до н.э.), и труды выдающегося мыслителя Востока Ибн Сины (Авиценна) (980-1037), пытавшегося логически опровергнуть божественное творение мира, и других, дошедших до нашего времени имен. [1]

Человеческая мысль не стоит на месте. Вместе с изменением представления о строении Вселенной, менялось и представление о ее происхождении, хотя в условиях существующей сильной идеологической власти религии это было связано с определенной опасностью. Может этим и объясняется тот факт, что естествознание новоевропейского времени избегало обсуждения вопроса о происхождении Вселенной и сосредоточилось на изучении устройства Ближнего Космоса. Эта научная традиция надолго определила общее направление и саму методику астрономического, а затем и астрофизического исследований. В результате основы научной космогонии были заложены не естествоиспытателями, а философами.

Первым на этот путь ступил Декарт, который попытался теоретически воспроизвести «происхождение светил, Земли и всего прочего видимого мира как бы из некоторых семян» и дать единое механическое объяснение всей совокупности известных ему астрономических, физических и биологических явлений. Однако идеи Декарта были далеки от современной ему науки.

Поэтому историю научной космогонии справедливее было бы начать не с Декарта, а с Канта, нарисовавшего картину «механического происхождения всего мироздания». Именно Канту принадлежит первая в научно-космогоническая гипотеза о естественном механизме возникновения материального мира. В безграничном пространстве Вселенной, воссозданной творческим воображением Канта, существование бесчисленного количества других солнечных систем и иных млечных путей столь же естественно, как и непрерывное образование новых миров и гибель старых. Именно с Канта начинается сознательное и практическое соединение принципа всеобщей связи и единства материального мира. Вселенная перестала быть совокупностью божественных тел, совершенных и вечных. Теперь перед изумленным человеческим разумом предстала мировая гармония совершенно иного рода – естественная гармония систем взаимодействующих и эволюционирующих астрономических тел, связанных между собой как звенья одной цепи природы. Однако необходимо отметить две характерные особенности дальнейшего развития научной космогонии. Первой из них является то, что послекантовская космогония ограничила себя пределами Солнечной системы и вплоть до середины ХХ века речь шла только о происхождении планет, тогда как звезды и их системы оставались за горизонтом теоретического анализа. Второй особенностью является то, что ограниченность наблюдательных данных, неопределенность доступной астрономической информации, невозможность опытного обоснования космогонических гипотез в конечном счете обусловили превращение научной космогонии в систему абстрактных идей, оторванных не только от остальных отраслей естествознания, но и от родственных разделов астрономии. [2] продолжение --PAGE_BREAK--Современная теория происхождения Вселенной Вселенная Хаббла <img width=«424» height=«332» src=«coolreferat.com/images/nopicture.png» v:shapes="_x0000_s1055 _x0000_s1029 _x0000_s1032">Важнейшее научное открытие прошлого века состоит в том, что окружающий нас физический мир существовал отнюдь не всегда. У науки нет более увлекательной задачи, нежели объяснить, как возникла Вселенная и почему она устроена так, а не иначе. Думаю, что за последние годы в решении этой проблемы достигнуты определенные успехи. Впервые за всю историю человечества мы располагаем разумной научной теорией всего сущего. Это поистине революционный беспримерный прорыв в нашем понимании окружающего мира, который оставит глубокий след в развитии представлений человека о Вселенной и его месте в ней.

Одной из основных концепций современного естествознания является учение о Вселенной как едином целом и о всей охваченной астрономическими наблюдениями области Вселенной (Метагалактике) как части целого – космология.

Выводы космологии основываются и на законах физики, и на данных наблюдательной астрономии. Как любая наука, космология в своей структуре кроме эмпирического и теоретического уровней имеет также уровень философских предпосылок, философских оснований.

<img width=«262» height=«386» src=«coolreferat.com/images/nopicture.png» v:shapes="_x0000_s1036 _x0000_s1034 _x0000_s1035">Так, в основании современной космологии лежит предположение о том, что законы природы, установленные на основе изучения весьма ограниченной части Вселенной, чаще всего на основе опытов на планете Земля, могут быть экстраполированы на значительно большие области, в конечном счете – на всю Вселенную. Это предположение об устойчивости законов природы в пространстве и времени относится к уровню философских оснований современной космологии.

Возникновение современной космологии связано с созданием релятивистской теории тяготения – общей теории относительности Эйнштейном (1916). Из уравнений Эйнштейна общей теории относительности следует кривизна пространства-времени и связь кривизны с плотностью массы (энергии). [3]

Применив общую теорию относительности ко Вселенной в целом, Эйншейн обнаружил, что такого решения уравнений, которому бы соответствовала не меняющаяся со временем Вселенная, не существует. Однако Эйнштейн представлял себе Вселенную как стационарную. Поэтому он ввел в полученные уравнения дополнительное слагаемое, обеспечивающее стационарность Вселенной.

Пожалуй самым важным и удивительным явлением, открытым современной астрономией, является расширение Вселенной (термином «Вселенная» следует подразумевать Метагалактику, т.е. доступную для наблюдений часть Вселенной). Что это означает? При наблюдениях это в первую очередь проявляется в том, что расстояния между всеми галактиками, несвязанными друг с другом в единую систему силой всемирного тяготения, постоянно увеличивается, галактики «разбегаются». Вселенная расширяется! [10]

В начале 20-х годов советский математик А. А. Фридман впервые решил уравнения общей теории относительности применительно ко всей Вселенной, не накладывая условия стационарности. Их вывод сложен, так как опирается на общую теорию относительности Эйнштейна. Но конечный результат прост и может быть сформулирован в виде дифференциального уравнения

<img width=«168» height=«51» src=«coolreferat.com/images/nopicture.png» v:shapes="_x0000_i1026">,

в котором R – радиус рассматриваемой сферы, <img width=«44» height=«24» src=«coolreferat.com/images/nopicture.png» v:shapes="_x0000_i1027">– скорость ее расширения, r – полная массовая плотность (вещества плюс излучения) Вселенной, G =(6,67259±0,00085)·10-11<img width=«52» height=«49» src=«coolreferat.com/images/nopicture.png» v:shapes="_x0000_i1028"> – гравитационная постоянная. Для вещества r » R -3, а для излучения r » R -4, поэтому на ранней стадии эволюции (R®0) слагаемое с rв данной формуле важнее константы в правой части, и последней можно пренебречь. [9] Фридман показал, что Вселенная, заполненная тяготеющим веществом, должна расширяться или сжиматься. Полученные им уравнения лежат в основе современной космологии.

<img width=«299» height=«470» src=«coolreferat.com/images/nopicture.png» v:shapes="_x0000_s1040 _x0000_s1041 _x0000_s1042">В 1929 году американский астроном Э.Хаббл опубликовал статью «Связь между расстоянием и лучевой скоростью внегалактических туманностей», в которой пришел к выводу: «Далекие галактики уходят от нас со скоростью, пропорциональной удаленности от нас. Чем дальше галактика, тем больше ее скорость» (коэффициент пропорциональности получил название постоянной Хаббла). [3]

Этот вывод Хаббл получил на основе эмпирического установления определенного физического эффекта – красного смещения, т.е. увеличения длин волн линий в спектре источника (смещения линий в сторону красной части спектра) по сравнению с линиями эталонных спектров, обусловленного эффектом Допплера, в спектрах галактик.

Открытие Хабблом эффекта красного смещения, разбегания галактик лежит в основе концепции расширяющейся Вселенной.

В соответствии с современными космологическими концепциями, Вселенная расширяется, но центр расширения отсутствует: из любой точки Вселенной картина расширения будет представляться той же самой, а именно, все галактики будут иметь красное смещение, пропорциональные расстоянию до них (рис.4). Само пространство как бы раздувается.

<img width=«448» height=«320» src=«coolreferat.com/images/nopicture.png» v:shapes="_x0000_s1053 _x0000_s1043 _x0000_s1044 _x0000_s1054 _x0000_s1050 _x0000_s1051"> Если на воздушном шарике нарисовать галактики и начать надувать его, то расстояния между ними будут возрастать, причем тем быстрее, чем дальше они расположены друг от друга. Разница лишь в том, что нарисованные на шарике галактики и сами увеличиваются в размерах, реальные же звездные системы повсюду во Вселенной сохраняют свой объем из-за сил гравитации (рис. 5). продолжение --PAGE_BREAK--«Суперсила» За последнее десятилетие в фундаментальной физике сделан ряд фундаментальных открытий, особенно в области под названием физика высоких энергий. Важные экспериментальные результаты впервые открывают глубокую взаимосвязь субъядерных частиц и скрытых сил, действующих в недрах вещества. Но еще больше впечатляют успехи в области теоретического осмысления полученных результатов. Тон задают две новые Концептуальные схемы: так называемая Теория вeликoгo oбъeдинени (ТВО) и суперcиммeтрия. Эти научпые направления совместно приводят к весьма привлекательной идее, согласно которой вся природа в конечном счете подчинена действию некой суперсилы, проявляющейся в различных “ипостасях”. Эта сила достаточно мощна, чтобы создать нашу Вселенную и наделить ее светом, энергией, материей и придать ей структуру. Но суперсила – нечто большее, чем просто созидающее начало. В ней материя, пространство-время и взаимодействие слиты в нераздельное гармоничное целое, порождающее такое единство Вселенной, которое ранее никто и не предполагал. [4]

Назначение науки по существу заключается в поиске единства. Связывая различные явления в общую теорию или общее описание, ученый как бы соединяет части окружающего нас необычайно сложного мира. Последние открытия в физике вызывают энтузиазм потому, что позволяют охватить в теории все явления природы в рамках единой описательной схемы.

Поиск суперсилы можно проследить вплоть до пионерских работ Эйнштейна и других ученых, пытавшихся построить единую теорию поля. Более столетия назад Фарадей и Максвелл показали, что электричество и магнетизм – тесно связавные-явления, которые можно описать на основе единого электромагнитного поля. Об успехе этого описания можно судить по тоиу коллосальному влиянию, которое оказывают на наше общество радио и электроника, берущие свое начало в концепции электромагнитного поля. Задача распространить процесс объединения, связав электромагнитное поле с другими силовыми полями, например с гравитационным, всегда выглядела весьма заманчиво. Кто знает, какие необыкновенные результаты удалось бы получить на основе подобного объединения?

Однако совершить следующий шаг оказалось не так просто. Предпринятая Эйнштейном попытка создать единую теорию электромагнитного и гравитационного полей не увенчалась успехом, и дальнейшее продвижение на пути к созданию единой теории поля произошло только в конце 60-х годов прошлого столетия, когда было показано, что математически электромагнетизм можно объединить с одной из ядерных сил (так называемым слабым взаимодействием). Новая теория позволила сформулировать идеи, допускавшие экспериментальную проверку; наиболее эффективной из них было предсказание новой разновидности света, состоящего не из обычных фотонов, а из загадочных Z-частиц. В 1983 г. в серии экспериментов, исследующих столкновения частиц высоких энергий на ускорителе, расположенном в окрестностях Женевы, Z-частицы были, наконец, обнаружены – и единая теория поля получила блестящее подтверждение. [4]

К тому времени теоретики продвинулись дальше, сформулировав гораздо более амбициозную теорию, объединяющую с электромагнитным и слабым взаимодействиями еще один тип ядерных сил — сильное взаимодействие. Одновременно были получены и первые результаты исследований в области гравитации, показавшие, каким образом гравитационное взаимодействие можно было бы объединить с другими типами взаимодействий. Физики считают, что в природе существуют только четыре перечисленных типа фундаментальных взаимодействий, таким образом, открывается путь к созданию универсальной всеобъемлющей теории,

Обретя существование, управляемая суперсилой Вселенная эволюционировала чрезвычайно быстро. По мнению некоторых теоретиков, наблюдаемая ныне инфраструктура Вселенной сформировалась в первые 10-32 с, и эта мгновенная ее упорядоченность включала переход от десяти пространственных измерений к трем, сохранившимся до настоящего времени. [4] Именно в ту эпоху Вселенная могла оказаться запертой в “космической ловушке”, что обеспечило генерацию из ничего огромных количеств энергии.

Если это так, то из первичной энергии в дальнейшем возникла вся материя, из которой построена Вселенная, и вся энергия, которая по сей день питает Вселенную.

Ученые разделились на два лагеря. Одни считают, что наука в принципе способна объяснить Вселенную в целом. Другие склонны думать, что есть некий сверхъестественный элемент бытия, не поддающийся рациональному объяснению. Научные оптимисты, если позволительно называть их так, не отваживаются утверждать, что мы когда-нибудь достигнем исчерпывающего знания всех деталей окружающего нас мира, но упорно настаивают, что любой процесс и любое событие строго соответствуют правилам, вытекающим из законов природы. Их оппоненты отрицают это.

Этот решающий выбор встал перед физикой более остро, чем перед какой-либо другой наукой, отчасти потому, что она является “фундаментальной” наукой. Именно физику надлежит раскрыть природу пространства и времени, фундаментальное строение вещества и действие сил, формирующих объекты, которые вкупе мы и называем Вселенной. Конечная цель физики заключается в том, чтобы объяснить, из чего построен мир, что “скрепляет” его части и как он действует. Если какая-либо часть мира – прошлое, настоящее или будущее – не вписывается в эту программу, то именно у физика это скорее всего вызовет тревогу.

Казалось необходимым предположить, что Вселенная первоначально находилась в довольно необычном состоянии – в противном случае она не могла бы прийти к тому состоянию, которое мы наблюдаем ныне. Таким образом, все важные физические объекты, все вещество и энергию, а также их крупномасштабную структуру приходилось рассматривать как данные богом; их следовало вводить “самолично” как необъяснимые начальные условия. Благодаря бурному прогрессу в понимании Вселенной, достигнутому в последние годы, все эти особенности оказались естественными следствиями законов физики. Начальные условия – в той мере, в какой это понятие имеет смысл с точки зрения квантовых представлений, – не оказывают влияния на последующее строение Вселенной. Таким образом. Вселенная – в большей мере продукт закономерности, нежели случая.

Тот факт, что наблюдаемая ныне картина Вселенной ведет свое начало от Большого взрыва – а именно это предначертано законами физики, – убедительно свидетельствует о том, что и сами эти законы не случайны или бессистемны, а содержат элемент целесообразности. Несмотря на снижение роли религии, люди продолжают искать высший смысл за пределами бытия. Новая физика и новая космология установили, что наша упорядоченная Вселенная – это нечто гораздо большее, чем последствие гигантского катаклизма. Я убежден, что изучение недавнего революционного переворота в физике и космологии станет источником глубокого вдохновения в поисках смысла жизни. продолжение --PAGE_BREAK--Красное смещение Космологическое красное смещение – это наблюдаемое смещение спектральных линий[1] в сторону длинных волн от далекого космического источника (например, галактики или квазара[2]) в расширяющейся Вселенной по сравнению с длиной волны тех же линий, измеренной от неподвижного источника. Оно выражается безразмерным отношением разницы принятой и испущенной длины волны по отношению к испущенной длине волны. Например, если линия ионизированного водорода Лайман-альфа с длиной волны lН=1216 Ангстрем (1А=10-10 м) наблюдается на длине волны l=4864 А, то красное смещение этой галактики <img width=«127» height=«52» src=«coolreferat.com/images/nopicture.png» v:shapes="_x0000_i1029">. [8]

Красные смещения вызываются эффектом Допплера (рис. 6). Зная красное смещение z, можно определить скорость удаления галактики v. Если скорость галактики vневелика по сравнению со скоростью света c=300000 км/с, она выражается по простой формуле v = c ´

В наблюдаемых спектрах звезд и галактик хорошо различимы спектральные линии поглощения известных элементов. Это позволяет довольно точно измерять с помощью эффекта Доплера скорость v, с которой данный излучающий объект удаляется (v> 0) или приближается (v< 0) по отношению к земному наблюдателю. Такое движение приводит к смещению l®l¢длины волны lизлучающего источника:

<img width=«119» height=«105» src=«coolreferat.com/images/nopicture.png» v:shapes="_x0000_i1030">,

где v –скорость удаления, c –скорость света (знаменатель – поправка в релятивистской теории Эйнштейна, существенная только при v, близких к скорости света c). Из этой формулы видно, что для удаляющегося от нас объекта линии смещаются в красную сторону (l> l¢), а для приближающегося – в голубую (l< l¢). [9]

Мы можем разными способами оценить расстояния до звезд. Все эти методы дают большую ошибку, но применив несколько методов вместе, мы, как представляется, можем разумно оценить расстояние до многих звезд. Когда мы наблюдаем эти звезды, мы видим, что их свет состоит из разных цветовых компонентов, и эти компоненты, как мы могли бы предположить, появляются вследствие нагревания различных видов атомов, из которых состоят звезды. Есть одна проблема – эти характерные спектральные составляющие смещены к красному. По красному смещению можно определить не только скорость удаления далекой галактики от наблюдателя, но и расстояние rдо нее, воспользовавшись законом Хаббла: v = H

r, где H– постоянная Хаббла[4], v – скорость космологического разбегания («разлета») скоплений галактик в зависимости от расстояния r до них. [8]

Общепринятое объяснение этому состоит в том, что вселенная – само пространство – на самом деле расширяется. Испускаемый звездами свет имеет правильный спектр, но за годы, пока он шел к нам, пространство, по которому он распространялся, расширилось, и свет (который находится в пространстве) расширился вместе с ним, точно так же как линия, нарисованная на воздушном шаре расширяется по мере его надувания. [5] Таким образом красное смещение также является мерой времени, протекшего с момента начала расширения Вселенной до момента испускания света в галактике. В рамках модели однородной и изотропной Вселенной со средней плотностью, равной критической плотности, это время выражается по формуле <img border=«0» width=«123» height=«64» src=«coolreferat.com/images/nopicture.png» v:shapes="_x0000_i1036">, где H – постоянная Хаббла, z – красное смещение. Так, по современным астрономическим данным, самые первые галактики образовались в момент времени, соответствующий красному смещению 5, то есть спустя примерно 1/15 часть современного возраста Вселенной. Значит, свет от этих галактик шел до нас примерно 8.5-14 миллиардов лет. [8]

Когда мы используем закон красного смещения Хаббла для того, чтобы вычислять расстояния до отдаленных галактик, мы делаем так согласно предположению, что первоначальный свет, приходя к нам за тысячи миллионов лет, испускался, по существу, на тех же самых длинах волн, какие наблюдаются в локальных современных эквивалентных звездных процессах. Исходя из такого основополагающего предположения, мы можем выдвинуть гипотезу о некотором механизме типа Эффекта Доплера (изменение длины волныl(или частоты), наблюдаемое при движении источника волн относительно их приемника. Характерен для любых волн (свет, звук и т. д.). При приближении источника к приемникуlуменьшается, а при удалении растет на величинуl–lо=nlо/с, гдеlо – длина волны источника,с– скорость распространения волны,n– относительная скорость движения источника [7], рис. 6), чтобы сдвинуть спектр света в область менее энергетических, но более длинных волн, которые мы обнаруживаем. Кажущиеся размеры и выход мощности излучения квазаров, как в настоящее время определено при использовании жизнеспособной идеи красного смещения, кажется, готовы потрясти самые основы физики. <img border=«0» width=«547» height=«336» src=«coolreferat.com/images/nopicture.png» v:shapes="_x0000_i1037">

Рисунок 6. Эффект Доплера: а – оба наблюдателя на тротуаре слышат звук сирены стоящей на месте пожарной машины на одной и той же частоте; б – наблюдатель, к которому приближается машина, слышит звук более высокой частоты, а наблюдатель, от которого машина удаляется, слышит более низкий звук.

Если галактики – конденсаты изначального космического «бульона», то их материальные плотности должны увеличиваться со временем. В современной физике выдвигается гипотеза о том, что унитарный электрический заряд пропорционален локальной галактической материальной плотности (концентрации). То есть, электрический заряд любого данного электрона или протона связана с общим количеством других протонов, электронов, и т.д., которые находятся достаточно близко, чтобы влиять на это через прямые электродинамические элементарные взаимодействия. Расстояние пяти световых лет может быть достаточным для нашего оценочного предела для прямых электродинамических влияний. Эта гипотеза выдвинута с использованием теоремы угасания, где заряженные частицы, находящиеся в среде, абсорбируют и заново излучают энергию электромагнитного поля, таким образом гася первоначальную энергию. [6]

Предполагается, что если унитарный электрический заряд в пределах галактик увеличивался в течение космологических веков, то сила электрических взаимодействий между атомными ядрами и их электронами, составляющими эти галактики, также увеличивалась. [5] Размеры атомов должны уменьшаться, а энергии их электронов на орбитах должны увеличиваться как побочный эффект основного галактического процесса конденсации.

Согласно этому подходу орбитальные электроны в атомах звездных атмосфер ранней вселенной должны бы быть менее энергетические, чем те же электроны современных атомов. Энергетические различия между их электронными оболочками должны бы быть также меньшие по сравнению с современными. Таким образом, фотоны, испускаемые звездами, составленными из менее энергетических атомов, должны бы уносить меньшие количества энергии и будут иметь более длинные волны, чем те, которые испускаются атомами в настоящее время в расположении нашей галактики. [5]

Красные смещения, ассоциированные с все более и более удаляющимися галактиками, не могут быть связаны с постоянно увеличивающейся скоростью удаления, относительно нас, или с гравитационной потерей энергии или с «утомлением света». [6] Свет, возможно, просто испускался в более длинных волнах. Согласно этой точке зрения, красное смещение, вообще-то, все еще может использоваться как косвенный способ измерения расстояний, но это должно рассматриваться как эффект плотности (концентрации) галактического материала. Чем краснее «смещенный» свет, тем моложе источник во время излучения.

Но если мы жестко привязываем красные смещения к расстояниям, тогда недавно сконденсированные космологические объекты могли, очевидно, быть неправильно определены как являющиеся значительно более удаленными и, таким образом, намного более энергетическими, чем они фактически есть. Квазары, возможно, уже относятся к этой категории. [5] продолжение --PAGE_BREAK--

www.ronl.ru

Расширяющаяся Вселенная и красное смещение

МОСКОВСКИЙ КОМИТЕТ ОБРАЗОВАНИЯ

ЮГО-ВОСТОЧНОЕ ОКРУЖНОЕ УПРАВЛЕНИЕ

Средняя общеобразовательная школа №506

с углубленным изучением экономики

Тема: «Расширяющаяся вселенная и красное смещение»

Реферат по астронимии ученика 11Б класса Ковчегина Игоря

Учитель: Бродер Дмитрий Леонидович

Москва, 2002

Введение 3

Происхождение Вселенной 4

Донаучное рассмотрение происхождения Вселенной 4

Современная теория происхождения Вселенной 6

Вселенная Хаббла 6

«Суперсила» 9

Красное смещение 12

Заключение 16

Список использованной литературы 20

Введение

Существует много глубоких философских проблем в основе нашего современного понимания физики. Начиная с самых больших масштабов, с природы Большого Взрыва, движения вселенной и происхождения космологической структуры. В пределах космоса мы не знаем, почему работает общая теория относительности – что такое гравитация и инерция? В нашем собственном масштабе мы заметили, что вселенная содержит странные сложности, которые придают ей фрактальную геометрию, которую можно найти в капающем кране, сокращениях сердца, горных цепях, изменениях стоимости акций и папоротниках, но у нас нет никакой идеи, почему это так. Потом и в самых маленьких масштабах квантовая механика оказалась с точки зрения философии вне человеческого понимания – действительно, некоторые выдающиеся теоретики предположили, что искать интерпретацию будет ошибкой – математические процессы, которые дают правильные ответы, хотя мы и не знаем почему, следует воспринимать как данность, и нам не следует беспокоиться о реальности.

Одна из трудностей, на которую наталкивается традиционная теория Большого взрыва, – необходимость объяснить, откуда берётся колоссальное количество энергии, требующееся для рождения частиц. Не так давно внимание учёных привлекла видоизменённая теория Большого взрыва, которая предлагает ответ на этот вопрос. Она носит название теории раздувания и была предложена в 1980 году сотрудником Массачусетского технологического института Аланом Гутом. Основное отличие теории раздувания от традиционной теории Большого взрыва заключается в описании периода с 10-35 до 10-32 с. По теории Гута примерно через 10-35 с. Вселенная переходит в состояние «псевдовакуума», при котором её энергия исключительно велика. Из-за этого происходит чрезвычайно быстрое расширение, гораздо более быстрое, чем по теории Большого взрыва (оно называется раздуванием). Через 10-35 с. после образования Вселенная не содержала ничего кроме чёрных мини-дыр и «обрывков» пространства, поэтому при резком раздувании образовалась не одна вселенная, а множество, причём некоторые, возможно, были вложены друг в друга. Каждый из участков пены превратился в отдельную вселенную, и мы живем в одной их них. Отсюда следует, что может существовать много других вселенных, недоступных для нашего наблюдения.

Хотя в этой теории удаётся обойти ряд трудностей традиционной теории Большого взрыва, она и сама не свободна от недостатков. Например, трудно объяснить, почему, начавшись, раздувание в конце концов прекращается. От этого недостатка удалось освободиться в новом варианте теории раздувания, появившемся в 1981 году, но в нём тоже есть свои трудности.

Как же представляли себе образование Вселенной наши далекие предки? Как объясняет происхождение Вселенной современная наука? Рассмотрению этих и других вопросов, связанных с возникновением Вселенной, посвящается данный реферат.

Происхождение Вселенной

Донаучное рассмотрение происхождения Вселенной

С чего все пошло? Как все космическое стало таким, каким оно предстает перед человечеством? Какими были те исходные условия, которые положили начало наблюдаемой Вселенной?

Первым на этот путь ступил Декарт, который попытался теоретически воспроизвести "происхождение светил, Земли и всего прочего видимого мира как бы из некоторых семян" и дать единое механическое объяснение всей совокупности известных ему астрономических, физических и биологических явлений. Однако идеи Декарта были далеки от современной ему науки.

Поэтому историю научной космогонии справедливее было бы начать не с Декарта, а с Канта, нарисовавшего картину "механического происхождения всего мироздания". Именно Канту принадлежит первая в научно-космогоническая гипотеза о естественном механизме возникновения материального мира. В безграничном пространстве Вселенной, воссозданной творческим воображением Канта, существование бесчисленного количества других солнечных систем и иных млечных путей столь же естественно, как и непрерывное образование новых миров и гибель старых. Именно с Канта начинается сознательное и практическое соединение принципа всеобщей связи и единства материального мира. Вселенная перестала быть совокупностью божественных тел, совершенных и вечных. Теперь перед изумленным человеческим разумом предстала мировая гармония совершенно иного рода – естественная гармония систем взаимодействующих и эволюционирующих астрономических тел, связанных между собой как звенья одной цепи природы. Однако необходимо отметить две характерные особенности дальнейшего развития научной космогонии. Первой из них является то, что послекантовская космогония ограничила себя пределами Солнечной системы и вплоть до середины ХХ века речь шла только о происхождении планет, тогда как звезды и их системы оставались за горизонтом теоретического анализа. Второй особенностью является то, что ограниченность наблюдательных данных, неопределенность доступной астрономической информации, невозможность опытного обоснования космогонических гипотез в конечном счете обусловили превращение научной космогонии в систему абстрактных идей, оторванных не только от остальных отраслей естествознания, но и от родственных разделов астрономии. [2]

Современная теория происхождения Вселенной

Вселенная Хаббла

Важнейшее научное открытие прошлого века состоит в том, что окружающий нас физический мир существовал отнюдь не всегда. У науки нет более увлекательной задачи, нежели объяснить, как возникла Вселенная и почему она устроена так, а не иначе. Думаю, что за последние годы в решении этой проблемы достигнуты определенные успехи. Впервые за всю историю человечества мы располагаем разумной научной теорией всего сущего. Это поистине революционный беспримерный прорыв в нашем понимании окружающего мира, который оставит глубокий след в развитии представлений человека о Вселенной и его месте в ней.

Так, в основании современной космологии лежит предположение о том, что законы природы, установленные на основе изучения весьма ограниченной части Вселенной, чаще всего на основе опытов на планете Земля, могут быть экстраполированы на значительно большие области, в конечном счете – на всю Вселенную. Это предположение об устойчивости законов природы в пространстве и времени относится к уровню философских оснований современной космологии.

Пожалуй самым важным и удивительным явлением, открытым современной астрономией, является расширение Вселенной (термином "Вселенная" следует подразумевать Метагалактику, т.е. доступную для наблюдений часть Вселенной). Что это означает? При наблюдениях это в первую очередь проявляется в том, что расстояния между всеми галактиками, несвязанными друг с другом в единую систему силой всемирного тяготения, постоянно увеличивается, галактики "разбегаются". Вселенная расширяется! [10]

в котором R – радиус рассматриваемой сферы, – скорость ее расширения, r – полная массовая плотность (вещества плюс излучения) Вселенной, G =(6,67259±0,00085)·10-11 – гравитационная постоянная. Для вещества r » R -3 , а для излучения r » R -4 , поэтому на ранней стадии эволюции (R ®0) слагаемое с r в данной формуле важнее константы в правой части, и последней можно пренебречь. [9] Фридман показал, что Вселенная, заполненная тяготеющим веществом, должна расширяться или сжиматься. Полученные им уравнения лежат в основе современной космологии.

В 1929 году американский астроном Э.Хаббл опубликовал статью "Связь между расстоянием и лучевой скоростью внегалактических туманностей", в которой пришел к выводу: "Далекие галактики уходят от нас со скоростью, пропорциональной удаленности от нас. Чем дальше галактика, тем больше ее скорость" (коэффициент пропорциональности получил название постоянной Хаббла). [3]

Если на воздушном шарике нарисовать галактики и начать надувать его, то расстояния между ними будут возрастать, причем тем быстрее, чем дальше они расположены друг от друга. Разница лишь в том, что нарисованные на шарике галактики и сами увеличиваются в размерах, реальные же звездные системы повсюду во Вселенной сохраняют свой объем из-за сил гравитации (рис. 5).

«Суперсила»

За последнее десятилетие в фундаментальной физике сделан ряд фундаментальных открытий, особенно в области под названием физика высоких энергий. Важные экспериментальные результаты впервые открывают глубокую взаимосвязь субъядерных частиц и скрытых сил, действующих в недрах вещества. Но еще больше впечатляют успехи в области теоретического осмысления полученных результатов. Тон задают две новые Концептуальные схемы: так называемая Теория вeликoгo oбъeдинени (ТВО) и суперcиммeтрия. Эти научпые направления совместно приводят к весьма привлекательной идее, согласно которой вся природа в конечном счете подчинена действию некой суперсилы, проявляющейся в различных “ипостасях”. Эта сила достаточно мощна, чтобы создать нашу Вселенную и наделить ее светом, энергией, материей и придать ей структуру. Но суперсила – нечто большее, чем просто созидающее начало. В ней материя, пространство-время и взаимодействие слиты в нераздельное гармоничное целое, порождающее такое единство Вселенной, которое ранее никто и не предполагал. [4]

Красное смещение

Космологическое красное смещение – это наблюдаемое смещение спектральных линий[1] в сторону длинных волн от далекого космического источника (например, галактики или квазара[2] ) в расширяющейся Вселенной по сравнению с длиной волны тех же линий, измеренной от неподвижного источника. Оно выражается безразмерным отношением разницы принятой и испущенной длины волны по отношению к испущенной длине волны. Например, если линия ионизированного водорода Лайман-альфа с длиной волны lН =1216 Ангстрем (1А=10-10 м) наблюдается на длине волны l=4864 А, то красное смещение этой галактики . [8]

Красные смещения вызываются эффектом Допплера (рис. 6). Зная красное смещение z , можно определить скорость удаления галактики v . Если скорость галактики v невелика по сравнению со скоростью света c =300000 км/с, она выражается по простой формуле v = c ´ z .

В наблюдаемых спектрах звезд и галактик хорошо различимы спектральные линии поглощения известных элементов. Это позволяет довольно точно измерять с помощью эффекта Доплера скорость v , с которой данный излучающий объект удаляется (v > 0) или приближается (v < 0) по отношению к земному наблюдателю. Такое движение приводит к смещению l ® l¢длины волны l излучающего источника:

где v – скорость удаления, c – скорость света (знаменатель – поправка в релятивистской теории Эйнштейна, существенная только при v , близких к скорости света c ). Из этой формулы видно, что для удаляющегося от нас объекта линии смещаются в красную сторону (l > l¢), а для приближающегося – в голубую (l < l¢). [9]

Давайте определим, например, расстояние до некоторой галактики, при радионаблюдениях которой было найдено, что длина волны нейтрального водорода см наблюдается на см, т.е. ее красное смещение . Приняв значение постоянной Хаббла км/с/Мпк, из закона Хаббла находим Мпк[3] .

Мы можем разными способами оценить расстояния до звезд. Все эти методы дают большую ошибку, но применив несколько методов вместе, мы, как представляется, можем разумно оценить расстояние до многих звезд. Когда мы наблюдаем эти звезды, мы видим, что их свет состоит из разных цветовых компонентов, и эти компоненты, как мы могли бы предположить, появляются вследствие нагревания различных видов атомов, из которых состоят звезды. Есть одна проблема – эти характерные спектральные составляющие смещены к красному. По красному смещению можно определить не только скорость удаления далекой галактики от наблюдателя, но и расстояние r до нее, воспользовавшись законом Хаббла: v = H 0 r , где H 0 – постоянная Хаббла[4] , v – скорость космологического разбегания («разлета») скоплений галактик в зависимости от расстояния r до них. [8]

Общепринятое объяснение этому состоит в том, что вселенная – само пространство – на самом деле расширяется. Испускаемый звездами свет имеет правильный спектр, но за годы, пока он шел к нам, пространство, по которому он распространялся, расширилось, и свет (который находится в пространстве) расширился вместе с ним, точно так же как линия, нарисованная на воздушном шаре расширяется по мере его надувания. [5] Таким образом красное смещение также является мерой времени, протекшего с момента начала расширения Вселенной до момента испускания света в галактике. В рамках модели однородной и изотропной Вселенной со средней плотностью, равной критической плотности, это время выражается по формуле , где H0 – постоянная Хаббла, z – красное смещение. Так, по современным астрономическим данным, самые первые галактики образовались в момент времени, соответствующий красному смещению 5, то есть спустя примерно 1/15 часть современного возраста Вселенной. Значит, свет от этих галактик шел до нас примерно 8.5-14 миллиардов лет. [8]

Когда мы используем закон красного смещения Хаббла для того, чтобы вычислять расстояния до отдаленных галактик, мы делаем так согласно предположению, что первоначальный свет, приходя к нам за тысячи миллионов лет, испускался, по существу, на тех же самых длинах волн, какие наблюдаются в локальных современных эквивалентных звездных процессах. Исходя из такого основополагающего предположения, мы можем выдвинуть гипотезу о некотором механизме типа Эффекта Доплера (изменение длины волны l (или частоты), наблюдаемое при движении источника волн относительно их приемника. Характерен для любых волн (свет, звук и т. д.). При приближении источника к приемнику l уменьшается, а при удалении растет на величину l – lо=nlо/с, где lо – длина волны источника, с – скорость распространения волны, n – относительная скорость движения источника [7], рис. 6), чтобы сдвинуть спектр света в область менее энергетических, но более длинных волн, которые мы обнаруживаем. Кажущиеся размеры и выход мощности излучения квазаров, как в настоящее время определено при использовании жизнеспособной идеи красного смещения, кажется, готовы потрясти самые основы физики.

Заключение

Огромное практическое значение науки в XX в. сделало ее той областью знания, к которой массовое сознание испытывает глубокое уважение. Слово науки весомо, и оттого рисуемая ею картина Вселенной часто принимается за точную фотографию реальной действительности, как она есть на самом деле, независимо от нас. Ведь наука и претендует на эту роль – бесстрастного и точного зеркала, отражающего мир в строгих понятиях и стройных математических вычислениях. Однако за привычным, коренящимся еще в эпохе Просвещения доверием к выводам науки, часто забывается, что она – развивающаяся и подвижная система знаний, что способы видения, присущие ей, изменчивы. А это означает, что сегодняшняя картина Вселенной не равна вчерашней. Повседневное сознание все еще живет научной картиной прошлых лет и веков, а сама наука уже убежала далеко вперед и рисует порой вещи столь парадоксальные, что сама ее объективность и беспристрастность начинает казаться мифом...

Современная астрофизика вплотную подошла к изучению ряда природных процессов, которые не имеют пока удовлетворительного объяснения в рамках существующих знаний и понимание которых, по всей вероятности, потребует выхода за границы фундаментальных общепринятых теорий. Речь идет, в частности, о таких проблемах, как природа колоссальных космических энергий, мощных физических процессов, протекающих в ядрах галактик и квазарах, поведение материи в условиях сверхвысокой плотности, взаимосвязь процессов микро- и мегамира, свойства вакуума и некоторые другие. Однако наука безусловно успешно решит эти вопросы, открыв новые природные закономерности, не имеющие ничего общего с потусторонними силами.

Из всего сказанного выше можно сделать следующие выводы: во-первых, в связи с тем что науки о Вселенной в настоящее время переживают период необычайно быстрого развития, принципиальные открытия в этой области, требующие кардинального пересмотра привычных представлений, следуют одно за другим. А поскольку религия всегда паразитировала на неполноте человеческих знаний, на их относительном характере, то одна из важнейших задач научно-атеистической пропаганды состоит в том, чтобы показывать науку не статично, то есть не как простую сумму тех или иных положений, а в динамике, как живой диалектический процесс познания мира, с присущей ему закономерной сменой научных предположений, идей, гипотез, теорий. Только такой подход дает правильное представление о материальном единстве мира и о возможностях человеческого познания.

Во-вторых, науками о Вселенной выдвинут в последнее время ряд фундаментальных положений, которые представляются внутренне противоречивыми. Это дает теологам повод, с одной стороны, упрекать науку в несоответствии ее положений реальной природе, а с другой – утверждать, что противоречивость научной картины мира будто бы свидетельствует о правомерности тех глубоких и неразрешимых внутренних противоречий, которыми отличаются религиозные системы. Следовательно, в научно-атеистической пропаганде необходимо подчеркивать, что внутренние противоречия в познании мира – это не противоречия между научным положением и реальностью, а отражение в научных знаниях противоречий, присущих самой природе.

В-третьих, для утверждения в сознании людей научно-материалистического мировоззрения огромное значение имеет экспериментальное подтверждение и практическое использование научных знаний. В наши дни намного короче стал период, отделяющий момент совершения научного открытия от его практического применения. Это относится, разумеется, и к открытиям в области астрофизики и других наук о Вселенной. А использование научных знаний на практике – один из наиболее весомых и действенных аргументов против религиозных взглядов и представлений.

Примечательная черта стремительного прогресса исследований Вселенной в условиях современной НТР – коренные изменения структуры научной деятельности астрономов, включая революционные изменения средств и методов изучения Вселенной, условий познания, что привело к лавине выдающихся открытий, обнаружению ранее не известных типов космических объектов, которые часто находятся в состояниях резкой нестационарности (эти состояния характеризуются колоссальным энерговыделением), и в конечном счете к существенной перестройке всей системы знания о Вселенной.

Современные исследования Вселенной все более отчетливо выступают как “моделирование” схем будущей деятельности по практическому освоению небесных тел, их включению в материально-производственную деятельность общества.

Впечатляющий прогресс науки о Вселенной, начатый великой коперниканской революцией, уже неоднократно приводил к весьма глубоким, подчас радикальным изменениям в исследовательской деятельности астрономов и, как следствие, в системе знания о структуре и эволюции космических объектов. В наше время астрономия развивается особенно стремительными темпами, нарастающими с каждым десятилетием. Поток выдающихся открытий и достижений неудержимо наполняет ее новым содержанием. Есть все основания считать, что в этой науке началась новая революция, которая по своим масштабам и значению, быть может, не уступает великому коперниканскому перевороту.

XX век стал веком коренной смены парадигм научного мышления и радикального изменения, естественнонаучной картины мира.

Современная научная картина мира динамична, противоречива. В ней больше вопросов, чем ответов. Она изумляет, пугает, ставит в тупик, шокирует. Поискам познающего разума нет границ, и в новом веке, в новом тысячелетии мы, возможно, будем потрясены новыми открытиями и новыми идеями.

Список использованной литературы

1. Человек и мироздание: Взгляд науки и религии – М.: Сов. Россия, 1986.

2. Беседы о Вселенной: Беседы о мире и человеке – М.: Политиздат, 1984.-111с..

3. Ресурс интернета, http://nrc.edu.ru

4. Девис П. Суперсила: Пер. с англ./Под ред. и с предисл. Е. М. Лейкина. – М.: Мир, 1989. —272 с.

5. Картер A. Взаимная космология: Пер. с англ. Козлов С. – http://progstone.nm.ru/, 1999

6. John G. Fox, Evidence Against Emission Theories, American Journal of Physics, Vol. 33, №1, с.1–17, январь 1965.

7. Большая энциклопедия Кирилла и Мефодия // Электронное издание – Кирилл и Мефодий, 2001

8. К.А.Постнов – ресурс интернета, http://www.nature.ru/db/

9. Васильев А. Н. Эволюция вселенной – С.-П.: Санкт-Петербургский государственный университет, ресурс интернета, http://www.nature.ru/db/

10. Попов С., Бизяев Д. – М.: ГАИШ МГУ, ресурс интернета, http://www.nature.ru/db/

[1] СПЕКТРАЛЬНЫЕ ЛИНИИ, линии в спектрах электромагнитного излучения атомов, молекул и др. квантовых систем. Излучение, соответствующее данной спектральной линии, характеризуется определенной длиной волны (и, следовательно, частоты). В соответствии с направлением перехода различают спектральные линии поглощения и испускания.

[2] КВАЗАРЫ (англ. quasar, сокр. от quasistellar radiosource — квазизвездный источник радиоизлучения), космические объекты чрезвычайно малых угловых размеров, имеющие значительные красные смещения линий в спектрах, что указывает на их большую удаленность от Солнечной системы, достигающую нескольких тысяч Мпк.

[3] ПАРСЕК (сокращение от параллакс и секунда), единица длины, применяемая в астрономии. Равна расстоянию, на котором параллакс составляет 1”; обозначается пк (СИ). 1 пк = 206 265 а. е. = 3,263 светового года = 3,086.1016 м.

[4] H » 50-100 км/(с·Мпк).

www.yurii.ru

Реферат Расширяющаяся Вселенная и красное смещение

РефератРабота добавлена на сайт bukvasha.ru: 2015-10-28

МОСКОВСКИЙ КОМИТЕТ ОБРАЗОВАНИЯ

ЮГО-ВОСТОЧНОЕ ОКРУЖНОЕ УПРАВЛЕНИЕ

Средняя общеобразовательная школа №506

с углубленным изучением экономики

Тема: «Расширяющаяся вселенная и красное смещение»Реферат по астронимии ученика 11Б класса Ковчегина ИгоряУчитель: Бродер Дмитрий Леонидович

Москва, 2002

Введение 3

Происхождение Вселенной 4

Донаучное рассмотрение происхождения Вселенной 4

Современная теория происхождения Вселенной 6

Вселенная Хаббла 6

«Суперсила» 9

Красное смещение 12

Заключение 16

Список использованной литературы 20

Донаучное рассмотрение происхождения Вселенной

Современная теория происхождения Вселенной

Вселенная Хаббла

в котором R – радиус рассматриваемой сферы, – скорость ее расширения, r – полная массовая плотность (вещества плюс излучения) Вселенной, G =(6,67259±0,00085)·10-11 – гравитационная постоянная. Для вещества r»R-3, а для излучения r»R-4, поэтому на ранней стадии эволюции (R®0) слагаемое с r в данной формуле важнее константы в правой части, и последней можно пренебречь. [9] Фридман показал, что Вселенная, заполненная тяготеющим веществом, должна расширяться или сжиматься. Полученные им уравнения лежат в основе современной космологии.

«Суперсила»

Космологическое красное смещение – это наблюдаемое смещение спектральных линий[1] в сторону длинных волн от далекого космического источника (например, галактики или квазара[2]) в расширяющейся Вселенной по сравнению с длиной волны тех же линий, измеренной от неподвижного источника. Оно выражается безразмерным отношением разницы принятой и испущенной длины волны по отношению к испущенной длине волны. Например, если линия ионизированного водорода Лайман-альфа с длиной волны lН=1216 Ангстрем (1А=10-10 м) наблюдается на длине волны l=4864 А, то красное смещение этой галактики

. [8]

Красные смещения вызываются эффектом Допплера (рис. 6). Зная красное смещение z, можно определить скорость удаления галактики v. Если скорость галактики v невелика по сравнению со скоростью света c=300000 км/с, она выражается по простой формуле v=c´ z.

В наблюдаемых спектрах звезд и галактик хорошо различимы спектральные линии поглощения известных элементов. Это позволяет довольно точно измерять с помощью эффекта Доплера скорость v, с которой данный излучающий объект удаляется (v > 0) или приближается (v < 0) по отношению к земному наблюдателю. Такое движение приводит к смещению l ® l¢длины волны l излучающего источника:

где v – скорость удаления, c – скорость света (знаменатель – поправка в релятивистской теории Эйнштейна, существенная только при v, близких к скорости света c). Из этой формулы видно, что для удаляющегося от нас объекта линии смещаются в красную сторону (l > l¢), а для приближающегося – в голубую (l < l¢). [9]

Мы можем разными способами оценить расстояния до звезд. Все эти методы дают большую ошибку, но применив несколько методов вместе, мы, как представляется, можем разумно оценить расстояние до многих звезд. Когда мы наблюдаем эти звезды, мы видим, что их свет состоит из разных цветовых компонентов, и эти компоненты, как мы могли бы предположить, появляются вследствие нагревания различных видов атомов, из которых состоят звезды. Есть одна проблема – эти характерные спектральные составляющие смещены к красному. По красному смещению можно определить не только скорость удаления далекой галактики от наблюдателя, но и расстояние r до нее, воспользовавшись законом Хаббла: v=H0r, где H0 – постоянная Хаббла[4], v – скорость космологического разбегания («разлета») скоплений галактик в зависимости от расстояния r до них. [8]

Общепринятое объяснение этому состоит в том, что вселенная – само пространство – на самом деле расширяется. Испускаемый звездами свет имеет правильный спектр, но за годы, пока он шел к нам, пространство, по которому он распространялся, расширилось, и свет (который находится в пространстве) расширился вместе с ним, точно так же как линия, нарисованная на воздушном шаре расширяется по мере его надувания. [5] Таким образом красное смещение также является мерой времени, протекшего с момента начала расширения Вселенной до момента испускания света в галактике. В рамках модели однородной и изотропной Вселенной со средней плотностью, равной критической плотности, это время выражается по формуле , где H0 – постоянная Хаббла, z – красное смещение. Так, по современным астрономическим данным, самые первые галактики образовались в момент времени, соответствующий красному смещению 5, то есть спустя примерно 1/15 часть современного возраста Вселенной. Значит, свет от этих галактик шел до нас примерно 8.5-14 миллиардов лет. [8]

Когда мы используем закон красного смещения Хаббла для того, чтобы вычислять расстояния до отдаленных галактик, мы делаем так согласно предположению, что первоначальный свет, приходя к нам за тысячи миллионов лет, испускался, по существу, на тех же самых длинах волн, какие наблюдаются в локальных современных эквивалентных звездных процессах. Исходя из такого основополагающего предположения, мы можем выдвинуть гипотезу о некотором механизме типа Эффекта Доплера (изменение длины волны l (или частоты), наблюдаемое при движении источника волн относительно их приемника. Характерен для любых волн (свет, звук и т. д.). При приближении источника к приемнику l уменьшается, а при удалении растет на величину l – lо=nlо/с, где lо – длина волны источника, с – скорость распространения волны, n – относительная скорость движения источника [7], рис. 6), чтобы сдвинуть спектр света в область менее энергетических, но более длинных волн, которые мы обнаруживаем. Кажущиеся размеры и выход мощности излучения квазаров, как в настоящее время определено при использовании жизнеспособной идеи красного смещения, кажется, готовы потрясти самые основы физики.

1. Человек и мироздание: Взгляд науки и религии – М.: Сов. Россия, 1986.

2. Беседы о Вселенной: Беседы о мире и человеке – М.: Политиздат, 1984.-111с..

3. Ресурс интернета, http://nrc.edu.ru

4. Девис П. Суперсила: Пер. с англ./Под ред. и с предисл. Е. М. Лейкина. – М.: Мир, 1989. —272 с.

5. Картер A. Взаимная космология: Пер. с англ. Козлов С. – http://progstone.nm.ru/, 1999

6. John G. Fox, Evidence Against Emission Theories, American Journal of Physics, Vol. 33, №1, с.1–17, январь 1965.

7. Большая энциклопедия Кирилла и Мефодия // Электронное издание – Кирилл и Мефодий, 2001

8. К.А.Постнов – ресурс интернета, http://www.nature.ru/db/

10. Попов С., Бизяев Д. – М.: ГАИШ МГУ, ресурс интернета, http://www.nature.ru/db/

[4] H » 50-100 км/(с·Мпк).

bukvasha.ru

Реферат - Модель большого взрыва и расширяющейся Вселенной

СочинскийГосударственный Университет Туризма и Курортного Дела

Реферат:

На тему: Модель большого взрыва и расширяющейся Вселенной

Выполнил ГоликовА.С.

Студент 2 курса

Группы 20 ГМУ

СОЧИ 2002 г.

введение.

Одной изосновных концепций современного естествознания является учение о Вселенной какедином целом и обо всей охваченной астрономическими наблюдениями областиВселенной (Метагалактике) как части целого — космология. Выводы космологии основываются и на законах физики, ина данных наблюдательной астрономии. Как любая наука, космология в своейструктуре кроме эмпирического и теоретического уровней имеет также уровеньфилософских предпосылок, философских оснований. Так, в основании современной космологии лежитпредположение о том, что законы природы, установленные на основе изучениявесьма ограниченной части Вселенной, чаще всего на основе опытов на планетеЗемля, могут быть экстраполированы на значительно большие области, в конечном счете- на всю Вселенную. Это предположение об устойчивости законов природы впространстве и времени относится к уровню философских оснований современнойкосмологии.

Цель моего реферата состоит втом, чтоб разобраться, что же все-такипредставляет с себя вселенная. В моем реферате поставлены такие задачи:

1.

2.

Рассмотретьвзгляды различных ученых, философов, политологов о том, как расширяетсявселенная?

3.

1. Модель Большого Взрыва

Модель эволюционной истории Вселенной,согласно которой она возникла в бесконечно плотном состоянии и с тех поррасширяется. Это событие произошло от 13 до 20 миллиардов лет назад и известнокак «Большой Взрыв». Теория Большого Взрыва теперь общепринята, таккак она объясняет оба наиболее значительных факта космологии: расширяющуюсяВселенную и существование космического фонового излучения. Можновоспользоваться известными законами физики и просчитать в обратном направлениивсе состояния, в которых находилась Вселенная, начиная с 10-43 секунд послеБольшого Взрыва. В течение первого миллиона лет вещество и энергия во Вселеннойсформировали непрозрачную плазму, иногда называемую первичным огненным шаром. Кконцу этого периода расширение Вселенной заставило температуру опуститься ниже3000 K, так что протоны и электроны смогли объединяться, образуя атомыводорода. На этой стадии Вселенная стала прозрачной для излучения. Плотностьвещества теперь стала выше плотности излучения, хотя раньше ситуация былаобратной, что и определяло скорость расширения Вселенной. Фоновое микроволновоеизлучение — все, что осталось от сильно охлажденного излучения раннейВселенной. Первые галактики начали формироваться из первичных облаков водородаи гелия только через один или два миллиарда лет. Термин «БольшойВзрыв» может применяться к любой модели расширяющейся Вселенной, которая впрошлом была горячей и плотной.

1.1. Гипотетическое представление о Вселенной

Как-то один известныйученый ( Бертран Рассел) читал публичную лекцию об астрономии. Он рассказывал,как Земля вращается вокруг Солнца, а Солнце, в свою очередь, вращается вокругцентра огромного скопления звезд, которое называют нашей Галактикой. Когдалекция подошла к концу, из последних рядов зала поднялась маленькая пожилаяледи и сказала: «Все, что вы нам говорили, — чепуха. На самом деле наш мир- это плоская тарелка, которая стоит па спине гигантской черепахи».Снисходительно улыбнувшись, ученый спросил: «А на чем держитсячерепаха?» — «Вы очень умны, молодой человек, — ответила пожилаяледи. — Черепаха — на другой черепахе, та — тоже на черепахе, и так все ниже иниже». Такое представление оВселенной как о бесконечной башне из черепах большинству из нас покажетсясмешным, но почему мы думаем, что сами знаем лучше? Что нам известно оВселенной, и как мы это узнали? Откуда взялась Вселенная, и что с ней станется?Было ли у Вселенной начало, а если было, то что происходило до начала? Каковасущность времени? Кончится ли оно когда-нибудь? Достижения физики последнихлет, которыми мы частично обязаны фантастической новой технике, позволяютнаконец получить ответы хотя бы на отдельные из таких давно поставленныхвопросов. Пройдет время, и эти ответы, может быть, станут столь же очевидными,как-то, что Земля вращается вокруг Солнца, а может быть, столь же нелепыми, какбашня из черепах. Только время (чем бы оно ни было) решит это. Еще в 340 г. до н. э. греческий философ Аристотель в своей книге «О небе»привел два веских довода в пользу того, что Земля не плоская тарелка, а круглыйшар. Во-первых, Аристотель догадался, что лунные затмения происходят тогда,когда Земля оказывается между Луной и Солнцем. Земля всегда отбрасывает на Лунукруглую тень, а это может быть лишь в том случае, если Земля имеет форму шара.Будь Земля плоским диском, ее тень имела бы форму вытянутого эллипса, еслитолько затмение не происходит всегда именно в тот момент, когда Солнценаходится точно на оси диска. Во-вторых, по опыту своих путешествий грекизнали, что в южных районах Полярная звезда на небе располагается ниже, чем всеверных. (Поскольку Полярная звезда находится над Северным полюсом, она будетпрямо над головой наблюдателя, стоящего на Северном полюсе, а человеку наэкваторе покажется, что она на линии горизонта). Зная разницу в кажущемсяположении Полярной звезды в Египте и Греции, Аристотель сумел даже вычислить,что длина экватора равна 400 000 стадиев. Что такое стадий, точно неизвестно,но он близок к 200 метрам, и, стало быть, оценка Аристотеля примерно в 2 разабольше значения, принятого сейчас. У греков был еще и третий довод в пользушарообразной формы Земли: если Земля не круглая, то почему же мы сначала видимпаруса корабля, поднимающиеся над горизонтом, и только потом сам корабль? Аристотель думал, чтоЗемля неподвижна, а Солнце, Луна, планеты и звезды вращаются вокруг нее покруговым орбитам. Он так полагал, ибо в соответствии со своими мистическимивоззрениями Землю считал центром Вселенной, а круговое движение — самымсовершенным. Птолемей во II веке развил идею Аристотеля в полнуюкосмологическую модель. Земля стоит в центре, окруженная восемью сферами,несущими на себе Луну, Солнце и пять известных тогда планет: Меркурий, Венеру,Марс, Юпитер и Сатурн (рис. 1.1). Сами планеты, считал Птолемей, движутся поменьшим кругам, скрепленным с соответствующими сферами. Это объясняло тотвесьма сложный путь, который, как мы видим, совершают планеты. На самойпоследней сфере располагаются неподвижные звезды, которые, оставаясь в одном итом же положении друг относительно друга, движутся по небу все вместе какединое целое. Что лежит за последней сферой, не объяснялось, но во всякомслучае это уже не было частью той Вселенной, которую наблюдает человечество.

Модель Птолемея позволяланеплохо предсказывать положение небесных тел на небосводе, но для точногопредсказания ему пришлось принять, что траектория Луны в одних местах подходитк Земле в 2 раза ближе, чем в других! Это означает, что в одном положении Лунадолжна казаться в 2 раза большей, чем в другом! Птолемей знал об этомнедостатке, но тем не менее его теория была признана, хотя и не везде.Христианская Церковь приняла Птолемееву модельВселенной как не противоречащую Библии, ибо эта модель была очень хороша тем,что оставляла за пределами сферы неподвижных звезд много места для ада и рая.Однако в 1514 г. польский священник Николай Коперник предложил еще болеепростую модель. (Вначале, опасаясь, наверное, того, что Церковь объявит егоеретиком, Коперник пропагандировал свою модель анонимно). Его идея состояла втом, что Солнце стоит неподвижно в центре, а Земля и другие планеты обращаютсявокруг него по круговым орбитам. Прошло почти столетие, прежде чем идеюКоперника восприняли серьезно. Два астронома — немец ИоганнКеплер и итальянец Галилео Галилей — публичновыступили в поддержку теории Коперника, несмотря на то что предсказанныеКоперником орбиты не совсем совпадали с наблюдаемыми. Теории Аристотеля-Птолемея пришел конец в 1609 г., когда Галилей начал наблюдать ночное тения, согласно которому всякое тело во Вселеннойпритягивается к любому другому телу с тем большей силой, чем больше массы этихтел и чем меньше расстояние между ними. Это та самая сила, которая заставляеттела падать на землю. (Рассказ о том, что Ньютона вдохновило яблоко, упавшееему на голову, почти наверняка недостоверен. Сам Ньютон сказал об этом лишь то,что мысль о тяготении пришла, когда он сидел в «созерцательномнастроении», и «поводом было падение яблока»). Далее Ньютонпоказал, что, согласно его закону, Луна под действием гравитационных силдвижется по эллиптической орбите вокруг Земли, а Земля и планеты вращаются поэллиптическим орбитам вокруг Солнца. Модель Коперника помоглаизбавиться от Птолемеевых небесных сфер, а заодно иот представления о том, что Вселенная имеет какую-то естественную границу.Поскольку «неподвижные звезды» не изменяют своего положения на небе,если не считать их кругового движения, связанного с вращением Земли вокругсвоей оси, естественно было предположить, что неподвижные звезды — это объекты,подобные нашему Солнцу, только гораздо более удаленные. Ньютон понимал, что поего теории тяготения звезды должны притягиваться друг к другу и поэтому,казалось бы, не могут оставаться совсем неподвижными. Не должны ли они упастьдруг на друга, сблизившись в какой-то точке? В 1691 г. в письме Ричарду Бентли,еще одному выдающемуся мыслителю того времени, Ньютон говорил, что такдействительно должно было бы произойти, если бы у нас было лишь конечное числозвезд в конечной области пространства. Но, рассуждал Ньютон, если число звездбесконечно и они более или менее равномерно распределены по бесконечномупространству, то этого никогда не произойдет, так как нет центральной точки,куда им нужно было бы падать. Эти рассуждения — примертого, как легко попасть впросак, ведя разговоры о бесконечности. В бесконечнойВселенной любую точку можно считать центром, так как по обе стороны от неечисло звезд бесконечно. Лишь гораздо позже поняли, что более правильный подход- взять конечную систему, в которой все звезды падают друг на друга, стремясь кцентру, и посмотреть, какие будут изменения, если добавлять еще и еще звезд,распределенных приблизительно равномерно вне рассматриваемой области. По законуНьютона дополнительные звезды в среднем никак не повлияют на первоначальные, т.е. звезды будут с той же скоростью падать в центр выделенной области. Сколькобы звезд мы ни добавили, они всегда будут стремиться к центру. В наше времяизвестно, что бесконечная статическая модель Вселенной невозможна, еслигравитационные силы всегда остаются силами взаимного притяжения. Интересно, каким былообщее состояние научной мысли до начала XX в.: никому и в голову не пришло, чтоВселенная может расширяться или сжиматься. Все считали, что Вселенная либосуществовала всегда в неизменном состоянии, либо была сотворена в какой-томомент времени в прошлом примерно такой, какова она сейчас. Отчасти это, можетбыть, объясняется склонностью людей верить в вечные истины, а также особойпритягательностью той мысли, что, пусть сами они состарятся и умрут, Вселеннаяостанется вечной и неизменной. Даже тем ученым, которыепоняли, что ньютоновская теория тяготения делаетневозможной статическую Вселенную, не приходила в голову гипотеза расширяющейсяВселенной. Они попытались модифицировать теорию, сделав гравитационную силуотталкивающей на очень больших расстояниях. Это практически не менялопредсказываемого движения планет, но зато позволяло бесконечному распределениюзвезд оставаться в равновесии, так как притяжение близких звездкомпенсировалось отталкиванием от далеких. Но сейчас мы считаем, что такоеравновесие оказалось бы неустойчивым. В самом деле, если в какой-то областизвезды чуть-чуть сблизятся, то силы притяжения между ними возрастут и станутбольше сил отталкивания, так что звезды будут и дальше сближаться. Если жерасстояние между звездами чуть-чуть увеличится, то перевесят силы отталкиванияи расстояние будет нарастать. Еще одно возражениепротив модели бесконечной статической Вселенной обычно приписывается немецкомуфилософу Генриху Олберсу, который в 1823 г.опубликовал работу, посвященную этой модели. На самом деле многие современникиНьютона занимались той же задачей, и статья Олберсабыла даже не первой среди работ, в которых высказывались серьезные возражения.Ее лишь первой стали широко цитировать. Возражение таково: в бесконечнойстатической Вселенной любой луч зрения должен упираться в какую-нибудь звезду.Но тогда небо даже ночью должно ярко светиться, как Солнце. Контраргумент Олберса состоял в том, что свет, идущий к нам от далекихзвезд, должен ослабляться из-за поглощения в находящемся на его пути веществе. Но в таком случае самоэто вещество должно нагреться и ярко светиться, как звезды. Единственнаявозможность избежать вывода о ярко, как Солнце, светящемся ночном небе — предположить, что звезды сияли не всегда, а загорелись в какой-то определенныймомент времени в прошлом. Тогда поглощающее вещество, возможно, еще не успелоразогреться или же свет далеких звезд еще не дошел до нас. Но возникает вопрос:почему зажглись звезды? Конечно, проблема возникновенияВселенной занимала умы людей уже очень давно. Согласно ряду ранних космогонии ииудейско-христианско-мусульманским мифам, нашаВселенная возникла в какой-то определенный и не очень отдаленный момент временив прошлом. Одним из оснований таких верований была потребность найти«первопричину» существования Вселенной. Любое событие во Вселеннойобъясняют, указывая его причину, т. е. другое событие, произошедшее раньше;подобное объяснение существования самой Вселенной возможно лишь в том случае,если у нее было начало. Другое основание выдвинул Блаженный Августин(православная Церковь считает Августина блаженным, а Католическая — святым. — прим. ред.). в книге «Град Божий». Он указал на то, что цивилизацияпрогрессирует, а мы помним, кто совершил то или иное деяние и кто что изобрел.Поэтому человечество, а значит, вероятно, и Вселенная, вряд ли очень долгосуществуют. Блаженный Августин считал приемлемой дату сотворения Вселенной,соответствующую книге «Бытия»: приблизительно 5000 год до нашей эры.(Интересно, что эта дата не так уж далека от конца последнего ледниковогопериода — 10 000 лет до н. э., который археологисчитают началом цивилизации). Аристотелю же ибольшинству других греческих философов не нравилась идея сотворения Вселенной,так как она связывалась с божественным вмешательством. Поэтому они считали, чтолюди и окружающий их мир существовали и будут существовать вечно. Доводотносительно прогресса цивилизации ученые древности рассматривали и решили, чтов мире периодически происходили потопы и другие катаклизмы, которые все времявозвращали человечество к исходной точке цивилизации. Вопросы о том, возниклали Вселенная в какой-то начальный момент времени и ограничена ли она впространстве, позднее весьма пристально рассматривал философ Иммануил Кант в своем монументальном (и очень темном) труде«Критика чистого разума», который был издан в 1781 г. Он назвал этивопросы антиномиями (т. е. противоречиями) чистого разума, так как видел, что вравной мере нельзя ни доказать, ни опровергнуть ни тезис о необходимости началаВселенной, ни антитезис о ее вечном существовании. Тезис Кант аргументировалтем, что если бы у Вселенной не было начала, то всякому событию предшествовалбы бесконечный период времени, а это Кант считал абсурдом. В поддержкуантитезиса Кант говорил, что если бы Вселенная имела начало, то емупредшествовал бы бесконечный период времени, а тогда спрашивается, почемуВселенная вдруг возникла в тот, а не другой момент времени? На самом делеаргументы Канта фактически одинаковы и для тезиса, и для антитезиса. Он исходитиз молчаливого предположения, что время бесконечно в прошлом независимо оттого, существовала или не существовала вечно Вселенная. Как мы увидим ниже, довозникновения Вселенной понятие времени лишено смысла. Когда большинство людейверило в статическую и неизменную Вселенную, вопрос о том, имела она начало илинет, относился, в сущности, к области метафизики и теологии. Все наблюдаемыеявления можно было объяснить как с помощью теории, в которой Вселеннаясуществует вечно, так и с помощью теории, согласно которой Вселенную сотворилив какой-то определенный момент времени таким образом, чтобы все выглядело, какесли бы она существовала вечно. Но в 1929 г. ЭдвинХаббл сделал эпохальное открытие: оказалось, что в какой бы части неба ни вестинаблюдения, все далекие галактики быстро удаляются от нас. Иными словами,Вселенная расширяется. Это означает, что в более ранние времена все объектыбыли ближе друг к другу, чем сейчас. Значит, было, по-видимому, время, околодесяти или двадцати тысяч миллионов лет назад, когда они все находились в одномместе, так что плотность Вселенной была бесконечно большой. Сделанное Хаббломоткрытие перевело вопрос о том, как возникла Вселенная, в область компетенциинауки. Наблюдения Хабблаговорили о том, что было время — так называемый большой взрыв, когда Вселеннаябыла бесконечно малой и бесконечно плотной. При таких условиях все законы наукитеряют смысл и не позволяют предсказывать будущее. Если в еще более ранниевремена и происходили какие-либо события, они все равно никак не смогли быповлиять на то, что происходит сейчас. Из-за отсутствия же наблюдаемыхследствий ими можно просто пренебречь. Большой взрыв можно считать началомотсчета времени в том смысле, что более ранние времена были бы просто неопределены. Подчеркнем, что такое начало отсчета времени очень сильноотличается от всего того, что предлагалось до Хаббла. Начало времени в неизменяющейся Вселенной есть нечто, что должноопределяться чем-то, существующим вне Вселенной; для начала Вселенной нетфизической необходимости. Сотворение Богом Вселенной можно в своемпредставлении относить к любому моменту времени в прошлом. Если же Вселеннаярасширяется, то могут существовать физические причины для того, чтобы она имеланачало. Можно по-прежнему представлять себе, что именно Бог создал Вселенную — в момент большого взрыва или даже позднее (но так, как если бы произошелбольшой взрыв). Однако было бы абсурдно утверждать, что Вселенная возникла раньшебольшого взрыва. Представление о расширяющейся Вселенной не исключаетсоздателя, но налагает ограничения на возможную дату его трудов!

Посколькууже существующих частных теорий вполне достаточно, чтобы делать точныепредсказания во всех ситуациях, кроме самых экстремальных, поиск окончательнойтеории Вселенной не отвечает требованиям практической целесообразности.(Заметим, однако, что аналогичные возражения можно было бы выдвинуть противтеории относительности и квантовой механики, а ведь именно эти теории произвелиреволюцию в ядерной физике и в микроэлектронике!) Таким образом, открытиеполной единой теории, может быть, не будет способствовать выживанию и даженикак не повлияет на течение нашей жизни. Но уже на заре цивилизации людям не нравилисьнеобъяснимые и не связанные между собой события, и они страстно желали понятьтот порядок, который лежит в основе нашего мира. По сей день мы мечтаем узнать,почему мы здесь оказались и откуда взялись. Стремление человечества к знаниюявляется для нас достаточным оправданием, чтобы продолжать поиск. А нашаконечная цель — никак не меньше, чем полное описание Вселенной, в которой мыобитаем.

1.2 Расширяющаяся Вселенная

Еслив ясную безлунную ночь посмотреть на небо, то, скорее всего, самыми яркимиобъектами, которые вы увидите, будут планеты Венера, Марс, Юпитер и Сатурн.Кроме того, вы увидите огромное количество звезд, похожих на наше Солнце, нонаходящихся гораздо дальше от нас. При вращении Земли вокруг Солнца некоторыеиз этих «неподвижных» звезд чуть-чуть меняют свое положениеотносительно друг друга, т. е. на самом деле они вовсе не неподвижны! Дело втом, что они несколько ближе к нам, чем другие. Поскольку же Земля вращаетсявокруг Солнца, близкие звезды видны все время в разных точках фона болееудаленных звезд. Благодаря этому можно непосредственно измерить расстояние отнас до этих звезд: чем они ближе, тем сильнее заметно их перемещение. Самаяблизкая звезда, называемая Проксимой Центавра,находится от нас на расстоянии приблизительно четырех световых лет (т. е. светот нее идет до Земли около четырех лет), или около 37 миллионов километров.Большинство звезд, видимых невооруженным глазом, удалены от нас на несколькосотен световых лет. Сравните это с расстоянием до нашего Солнца, составляющимвсего восемь световых минут! Видимые звезды рассыпаны но всему ночному небу, ноособенно густо в той полосе, которую мы называем Млечным Путем. Еще в 1750 г.некоторые астрономы высказывали мысль, что существование Млечного Путиобъясняется тем, что большая часть видимых звезд образует одну дискообразную конфигурацию — пример того, что сейчасназывается спиральной галактикой. Лишь через несколько десятилетий астроном Уильям Гершель подтвердил это предположение, выполнивколоссальную работу но составлению каталога положений огромного количествазвезд и расстояний до них. Но даже после этого представление о спиральныхгалактиках было принято всеми лишь в начале нашего века. Современная картинаВселенной возникла только в 1924 г., когда американский астроном Эдвин Хаббл показал, что наша Галактика не единственная. Насамом деле существует много других галактик, разделенных огромными областямипустого пространства. Для доказательства Хабблу требовалось определитьрасстояния до этих галактик, которые настолько велики, что, в отличие отположений близких звезд, видимые положения галактик действительно не меняются.Поэтому для измерения расстояний Хаббл был вынужден прибегнуть к косвеннымметодам. Видимая яркость звезды зависит от двух факторов: от того, какоеколичество света излучает звезда (се светимости), и от того, гдe она находится. Яркость близких звезд и расстояние доних мы можем измерить; следовательно, мы можем вычислить и их светимость. Инаоборот, зная светимость звезд в других галактиках, мы могли бы вычислитьрасстояние до них, измерив их видимую яркость. Хаббл заметил, что светимостьнекоторых типов звезд всегда одна и та же, когда они находятся достаточноблизко для того, чтобы можно было производить измерения. Следовательно, рассуждалХаббл, если такие звезды обнаружатся в другой галактике, то, предположив у нихтакую же светимость, мы сумеем вычислить расстояние до этой галактики. Еслиподобные расчеты для нескольких звезд одной и той же галактики дадут один и тотже результат, то полученную оценку расстояния можно считать надежной.

Таким путем Хабблрассчитал расстояния до девяти разных галактик. Теперь известно, что нашаГалактика — одна из нескольких сотен тысяч миллионов галактик, которые можнонаблюдать в современные телескопы, а каждая из этих галактик в свою очередьсодержит сотни тысяч миллионов звезд. На рис. 3.1 показано, какой увидел бынашу Галактику наблюдатель, живущий в какой-нибудь другой галактике. НашаГалактика имеет около ста тысяч световых лет в поперечнике. Она медленновращается, а звезды в ее спиральных рукавах каждые несколько сотен миллионовлет делают примерно один оборот вокруг ее центра. Наше Солнце представляетсобой обычную желтую звезду средней величины, расположенную на внутреннейстороне одного из спиральных рукавов. Какой же огромный путь мы прошли отАристотеля и Птолемея, когда Земля считалась центром Вселенной! в ее атмосфере. В 20-х годах, когдаастрономы начали исследование спектров звезд других галактик, обнаружилосьнечто еще более странное: в нашей собственной Галактике оказались те же самыехарактерные наборы отсутствующих цветов, что и у звезд, но все они былисдвинуты на одну и ту же величину к красному концу спектра. Чтобы понять смыслсказанного, следует сначала разобраться с эффектом Доплера. Как мы уже знаем,видимый свет — это колебания, или волны электромагнитного поля. Частота (числоволн в одну секунду) световых колебаний чрезвычайно высока — от четырехсот досемисот миллионов волн в секунду. Человеческий глаз воспринимает свет разныхчастот как разные цвета, причем самые низкие частоты соответствуют красномуконцу спектра, а самые высокие — фиолетовому. Представим себе источник света,расположенный на фиксированном расстоянии от нас (например, звезду), излучающийс постоянной частотой световые волны. Очевидно, что частота приходящих волнбудет такой же, как та, с которой они излучаются (пусть гравитационное полегалактики невелико и его влияние несущественно). Предположим теперь, чтоисточник начинает двигаться в нашу сторону. При испускании следующей волныисточник окажется ближе к нам, а потому время, за которое гребень этой волны донас дойдет, будет меньше, чем в случае неподвижной звезды. Стало быть, времямежду гребнями двух пришедших волн будет меньше, а число волн, принимаемых намиза одну секунду (т. е. частота), будет больше, чем когда звезда быланеподвижна. При удалении же источника частота приходящих волн будет меньше. Этоозначает, что спектры удаляющихся звезд будут сдвинуты к красному концу(красное смещение), а спектры приближающихся звезд должны испытывать фиолетовоесмещение. Такое соотношение между скоростью и частотой называется эффектомДоплера, и этот эффект обычен даже в нашей повседневной жизни. Прислушайтесь ктому, как идет по шоссе машина: когда она приближается, звук двигателя выше (т.е. выше частота испускаемых им звуковых волн), а когда, проехав мимо, машинаначинает удаляться, звук становится ниже. Световые волны и радиоволны ведутсебя аналогичным образом. Эффектом Доплера пользуется полиция, определяяиздалека скорость движения автомашин по частоте радиосигналов, отражающихся отних. Доказав, что существуют другие галактики, Хаббл все последующие годыпосвятил составлению каталогов расстояний до этих галактик и наблюдению ихспектров. В то время большинство ученых считали, что движение галактикпроисходит случайным образом и поэтому спектров, смещенных в красную сторону,должно наблюдаться столько же, сколько и смещенных в фиолетовую. Каково же былоудивление, когда у большей части галактик обнаружилось красное смещениеспектров, т. е. оказалось, что почти все галактики удаляются от нас! Еще болееудивительным было открытие, опубликованное Хабблом в 1929 г.: Хаббл обнаружил,что даже величина красного смещения не случайна, а прямо пропорциональнарасстоянию от нас до галактики. Иными словами, чем дальше находится галактика,тем быстрее она удаляется! А это означало, что Вселенная не может быть статической,как думали раньше, что на самом деле она непрерывно расширяется и расстояниямежду галактиками все время растут. Открытие расширяющейсяВселенной было одним из великих интеллектуальных переворотов двадцатого века.Задним числом мы можем лишь удивляться тому, что эта идея не пришла никому вголову раньше. Ньютон и другие ученые должны были бы сообразить, чтостатическая Вселенная вскоре обязательно начала бы сжиматься под действиемгравитации. Но предположим, что Вселенная, наоборот, расширяется. Если бырасширение происходило достаточно медленно, то под действием гравитационнойсилы оно в конце концов прекратилось бы и перешло в сжатие. Однако если быскорость расширения превышала некоторое критическое значение, тогравитационного взаимодействия не хватило бы, чтобы остановить расширение, ионо продолжалось бы вечно. Все это немного напоминает ситуацию, возникающую,когда с поверхности Земли запускают вверх ракету. Если скорость ракеты не оченьвелика, то из-за гравитации она в конце концов остановится и начнет падатьобратно. Если же скорость ракеты больше некоторой критической (околоодиннадцати километров в секунду), то гравитационная сила не сможет ее вернуть,и ракета будет вечно продолжать свое движение от Земли. Расширение Вселенноймогло быть предсказано на основе ньютоновской теории тяготения в XIX, XVIII идаже в конце XVII века. Однако вера в статическую Вселенную была столь велика,что жила в умах еще в начале нашего века. Даже Эйнштейн, разрабатывая в 1915 г.общую теорию относительности, был уверен в статичности Вселенной. Чтобы невступать в противоречие со статичностью, Эйнштейн модифицировал свою теорию,введя в уравнения так называемую космологическую постоянную. Он ввел новую«антигравитационную» силу, которая в отличие от других сил непорождалась каким-либо источником, а была заложена в саму структурупространства-времени. Эйнштейн утверждал, что пространство-время само по себевсегда расширяется и этим расширением точно уравновешивается притяжение всейостальной материи во Вселенной, так что в результате Вселенная оказываетсястатической. По-видимому, лишь один человек полностью поверил в общую теориюотносительности: пока Эйнштейн и другие физики думали над тем, как обойти нестатичность Вселенной, предсказываемую этой теорией, русский физик и математикА. А. Фридман, наоборот, занялся ее объяснением. Фридман сделал два оченьпростых исходных предположения: во-первых, Вселенная выглядит одинаково, вкаком бы направлении мы ее ни наблюдали, и во-вторых, это утверждение должнооставаться справедливым и в том случае, если бы мы производили наблюдения изкакого-нибудь другого места. Не прибегая ни к каким другим предположениям,Фридман показал, что Вселенная не должна быть статической. В 1922 г., занесколько лет до открытия Хаббла, Фридман в точности предсказал его результат! Предположение ободинаковости Вселенной во всех направлениях на самом деле, конечно, невыполняется. Как мы, например, уже знаем, другие звезды в нашей Галактикеобразуют четко выделяющуюся светлую полосу, которая идет пoвсему небу ночью — Млечный Путь. Нo если говорить одалеких галактиках, то их число во всех направлениях примерно одинаково.Следовательно, Вселенная действительно «примерно» одинакова во всехнаправлениях — при наблюдении в масштабе, большом по сравнению с расстояниеммежду галактиками, когда отбрасываются мелкомасштабные различия. Правда, на первый взгляд,тот факт, что Вселенная кажется нам одинаковой во всех направлениях, можетговорить о какой-то выделенности нашего местоположения во Вселенной. Вчастности, раз мы видим, что все остальные галактики удаляются от нас, значит,мы находимся в центре Вселенной. Но есть и другое объяснение: Вселенная будетвыглядеть одинаково во всех направлениях и в том случае, если смотреть на нееиз какой-нибудь другой галактики. Это, как мы знаем, вторая гипотеза Фридмана.У нас нет научных доводов ни за, ни против этого предположения, и мы принялиего, так сказать, из скромности: было бы крайне странно, если бы Вселеннаяказалась одинаковой во всех направлениях только вокруг нас, а в других ееточках этого не было! В модели Фридмана все галактики удаляются друг от друга.Это вроде бы как надутый шарик, на который нанесены точки, если его все большенадувать. Расстояние между любыми двумя точками увеличивается, но ни одну изних нельзя назвать центром расширения. Притом чем больше расстояние междуточками, тем быстрее они удаляются друг от друга. Но и в модели Фридманаскорость, с которой любые две галактики удаляются друг от друга, пропорциональнарасстоянию между ними. Таким образом, модель Фридмана предсказывает, чтокрасное смешение галактики должно быть прямо пропорционально ее удаленности отнас, в точном соответствии с открытием Хаббла. Несмотря на успех этой модели ина согласие ее предсказаний с наблюдениями Хаббла, работа Фридмана оставаласьнеизвестной на Западе, и лишь в 1935 г. американский физик ГовардРобертсон и английский математик Артур Уолкер предложили сходные модели в связи с открытиемХаббла.

СамФридман рассматривал только одну модель, но можно указать три разные модели,для которых выполняются оба фундаментальных предположения Фридмана. В моделипервого типа (открытой самим Фридманом) Вселенная расширяется достаточномедленно для того, чтобы в силу гравитационного притяжения м

www.ronl.ru

Реферат - Расширение вселенной и красное смещение

РАСШИРЕНИЕ ВСЕЛЕННОЙ

Если в ясную безлунную ночь посмотреть на небо,то, скорее всего, самыми яркими объектами, которые вы увидите, будут планетыВенера, Марс, Юпитер и Сатурн. Кроме того, вы увидите огромное количествозвезд, похожих на наше Солнце, но находящихся гораздо дальше от нас. Приобращении Земли вокруг Солнца некоторые из этих «неподвижных» звезд чуть-чутьменяют свое положение относительно друг друга, т. е. на самом деле они вовсе ненеподвижны! Дело в том, что они несколько ближе к нам, чем другие. Поскольку жеЗемля вращается вокруг Солнца, близкие звезды видны все время в разных точкахфона более удаленных звезд. Благодаря этому можно непосредственно измеритьрасстояние от нас до этих звезд: чем они ближе, тем сильнее заметно ихперемещение. Самая близкая звезда, называемая Проксимой Центавра, находится отнас на расстоянии приблизительно четырех световых лет (т. е. свет от нее идетдо Земли около четырех лет), или около 37 миллионов миллионов километров.Большинство звезд, видимых невооруженным глазом, удалены от нас на несколькосотен световых лет. Сравните это с расстоянием до нашего Солнца, составляющимвсего восемь световых минут! Видимые звезды рассыпаны по всему ночному небу,но особенно густо в той полосе, которую мы называем Млечным Путем. Еще в 1750г. некоторые астрономы высказывали мысль, что существование Млечного Путиобъясняется тем, что большая часть видимых звезд образует одну дискообразнуюконфигурацию — пример того, что сейчас называется спиральной галактикой. Лишьчерез несколько десятилетий астроном Уильям Гершель подтвердил этопредположение, выполнив колоссальную работу по составлению каталога положенийогромного количества звезд и расстояний до них. Но даже после этого представлениео спиральных галактиках было принято всеми лишь в начале нашего века.

Современнаякартина Вселенной возникла только в 1924 г., когда американский астроном ЭдвинХаббл показал, что наша Галактика не единственная. На самом деле существуетмного других галактик, разделенных огромными областями пустого пространства.Для доказательства Хабблу требовалось определить расстояния до этих галактик,которые настолько велики, что, в отличие от положений близких звезд, видимыеположения галактик действительно не меняются. Поэтому для измерения расстоянийХаббл был вынужден прибегнуть к косвенным методам. Видимая яркость звездызависит от двух факторов: от того, какое количество света излучает звезда (еесветимости), и от того, где она находится. Яркость близких звезд и расстояниедо них мы можем измерить; следовательно, мы можем вычислить и их светимость. Инаоборот, зная светимость звезд в других галактиках, мы могли бы вычислитьрасстояние до них, измерив их видимую яркость, Хаббл заметил, что светимостьнекоторых типов звезд всегда одна и та же, когда они находятся достаточноблизко для того, чтобы можно было производить измерения. Следовательно,рассуждал Хаббл, если такие звезды обнаружатся в другой галактике, то,предположив у них такую же светимость, мы сумеем вычислить расстояние до этойгалактики. Если подобные расчеты для нескольких звезд одной и той же галактикидадут один и тот же результат, то полученную оценку расстояния можно считатьнадежной.

Такимпутем Хаббл рассчитал расстояния до девяти разных галактик. Теперь известно,что наша Галактика — одна из нескольких сотен тысяч миллионов галактик,которые можно наблюдать в современные телескопы, а каждая из этих галактик всвою очередь содержит сотни тысяч миллионов звезд. На рисунке ниже показано,какой увидел бы нашу Галактику наблюдатель, живущий в какой-нибудь другойгалактике.

Наша Галактика имеет около ста тысяч световых лет в поперечнике. Она медленновращается, а звезды в ее спиральных рукавах каждые несколько сотен миллионовлет делают примерно один оборот вокруг ее центра. Наше Солнце представляетсобой обычную желтую звезду средней величины, расположенную на внутреннейстороне одного из спиральных рукавов. Какой же огромный путь мы прошли отАристотеля и Птолемея, когда Земля считалась центром Вселенной!

Звезды находятся такдалеко от нас, что кажутся просто светящимися точками в небе. Мы не различаемни их размеров, ни формы. Как же можно говорить о разных типах звезд? Для подавляющегобольшинства звезд существует только одно характерное свойство, которое можнонаблюдать — это цвет идущего от них света. Ньютон открыл, что, проходя черезтрехгранный кусок стекла, называемый призмой, солнечный свет разлагается, какв радуге, на цветовые компоненты (спектры). Настроив телескоп на какую-нибудьотдельную звезду или галактику, можно аналогичным образом разложить в спектрсвет, испускаемый этой звездой или галактикой. Разные звезды имеют разныеспектры, но относительная яркость разных цветов всегда в точности такая же, какв свете, который излучает какой-нибудь раскаленный докрасна предмет. (Свет,излучаемый раскаленным докрасна непрозрачным предметом, имеет очень характерныйспектр, зависящий только от температуры предмета — тепловой спектр. Поэтому мыможем определить температуру звезды по спектру излучаемого ею света.) Крометого, мы обнаружим, что некоторые очень специфические цвета вообще отсутствуютв спектрах звезд, причем отсутствующие цвета разные для разных звезд.Поскольку, как мы знаем, каждый химический элемент поглощает свой определенныйнабор характерных цветов, мы можем сравнить их с теми цветами, которых нет вспектре звезды, и таким образом точно определить, какие элементы присутствуют вее атмосфере.

В 20-х годах, когдаастрономы начали исследование спектров звезд других галактик, обнаружилосьнечто еще более странное: в нашей собственной Галактике оказались те же самыехарактерные наборы отсутствующих цветов, что и у звезд, но все они былисдвинуты на одну и ту же величину к красному концу спектра. Чтобы понять смысл сказанного, следует сначала разобратьсяс эффектом Доплера. Как мы уже знаем, видимый свет — это колебанияэлектромагнитного поля. Частота (число волн в одну секунду) световых колебаний чрезвычайно высока—отчетырехсот до семисот миллионов миллионов волн в секунду. Человеческий глазвоспринимает свет разных частот как разные цвета, причём самые низкие частотысоответствуют красному концу спектра, самые высокие — фиолетовому. Представимсебе источник света, расположенный на фиксированном расстоянии от нас(например, звезду), излучающий с постоянной частотой световые волны. Очевидно,что частота приходящих волн будет такой же, как та, с которой они излучаются(пусть гравитационное поле галактики невелико и его влияние несущественно).Предположим теперь, что источник начинает двигаться в нашу сторону. Прииспускании следующей волны источник окажется ближе к нам, а потому время, закоторое гребень этой волны до нас дойдет, будет меньше, чем в случаенеподвижной звезды. Стало быть, время между гребнями двух пришедших волн будетменьше, а число волн, принимаемых нами за одну секунду (т.е. частота), будетбольше, чем когда звезда была неподвижна. При удалении же источника частотаприходящих волн будет меньше. Это означает, что спектры удаляющихся звездбудут сдвинуты к красному концу (красное смещение), а спектры приближающихсязвезд должны испытывать фиолетовое смещение. Такое соотношение между скоростьюи частотой называется эффектом Доплера, и этот эффект обычен даже в нашейповседневной жизни. Прислушайтесь к тому, как идет по шоссе машина: когда онаприближается, звук двигателя выше (т. е. выше частота испускаемых им звуковыхволн), а когда, проехав мимо, машина начинает удаляться, звук становится ниже.Световые волны и радиоволны ведут себя аналогичным образом. Эффектом Доплерапользуется полиция, определяя издалека скорость движения автомашин по частотерадиосигналов, отражающихся от них. Доказав, что существуют другие галактики,Хаббл все последующие годы посвятил составлению каталогов расстояний до этихгалактик и наблюдению их спектров. В то время большинство ученых считали, чтодвижение галактик происходит случайным образом и поэтому спектров, смещенных вкрасную сторону, должно наблюдаться столько же, сколько и смещенных вфиолетовую. Каково же было удивление, когда у большей части галактик обнаружилоськрасное смещение спектров, т. е. оказалось, что почти все галактики удаляютсяот нас! Еще более удивительным было открытие, опубликованное Хабблом в 1929г.: Хаббл обнаружил, что даже величина красного смещения не случайна, а прямопропорциональна расстоянию от нас до галактики. Иными словами, чем дальшенаходится галактика, тем быстрее она удаляется! А это означало, что Вселеннаяне может быть статической, как думали раньше, что на самом деле она непрерывнорасширяется и расстояния между галактиками все время растут.

Открытие расширяющейсяВселенной было одним из великих интеллектуальных переворотов двадцатого века.Задним числом мы можем лишь удивляться тому, что эта идея не пришла никому вголову раньше. Ньютон и другие ученые должны были бы сообразить, чтостатическая Вселенная вскоре обязательно начала бы сжиматься под действиемгравитации. Но предположим, что Вселенная, наоборот, расширяется. Если бырасширение происходило достаточно медленно, то под действием гравитационной силыоно в конце концов прекратилось бы и перешло в сжатие. Однако если бы скоростьрасширения превышала некоторое критическое значение, то гравитационноговзаимодействия не хватило бы, чтобы остановить расширение, и оно продолжалосьбы вечно. Все это немного напоминает ситуацию, возникающую, когда споверхности Земли запускают вверх ракету. Если скорость ракеты не оченьвелика, то из-за гравитации она в конце концов остановится и начнет падатьобратно. Если же скорость ракеты больше некоторой критической (околоодиннадцати километров в секунду), то гравитационная сила не сможет ее вернутьи ракета будет вечно продолжать свое движение от Земли. Расширение Вселенноймогло быть предсказано на основе ньютоновской теории тяготения в XIX, XVIII идаже в конце XVII века. Однако вера в статическую Вселенную была столь велика,что жила в умах еще в начале нашего века. Даже Эйнштейн, разрабатывая в 1915 г.общую теорию относительности, был уверен в статичности Вселенной. Чтобы невступать в противоречие со статичностью, Эйнштейн модифицировал свою теорию,введя в уравнения так называемую космологическую постоянную. Он ввел новую«антигравитационную» силу, которая в отличие от других сил не порождаласькаким-либо источником, а была заложена в саму структуру пространства-времени.Эйнштейн утверждал, что пространство-время само по себе всегда расширяется иэтим расширением точно уравновешивается притяжение всей остальной материи воВселенной, так что в результате Вселенная оказывается статической.По-видимому, лишь один человек полностью поверил в общую теориюотносительности: пока Эйнштейн и другие физики думали над тем, как обойтинестатичность Вселенной, предсказываемую этой теорией, русский физик иматематик А. А. Фридман, наоборот, занялся ее объяснением.

Фридман сделал два оченьпростых исходных предположения: во-первых, Вселенная выглядит одинаково, вкаком бы направлении мы ее ни наблюдали, и, во-вторых, это утверждение должнооставаться справедливым и в том случае, если бы мы производили наблюдения изкакого-нибудь другого места. Не прибегая ни к каким другим предположениям,Фридман показал, что Вселенная не должна быть статической. В 1922 г., занесколько лет до открытия Хаббла, Фридман в точности предсказал егорезультат!

Предположение ободинаковости Вселенной во всех направлениях на самом деле, конечно, невыполняется. Как мы, например, уже знаем, другие звезды в нашей Галактикеобразуют четко выделяющуюся светлую полосу, которая идет по всему небу ночью —Млечный Путь. Но если говорить о далеких галактиках, то их число во всехнаправлениях примерно одинаково. Следовательно, Вселенная действительно«примерно» одинакова во всех направлениях — при наблюдении в масштабе, большомпо сравнению с расстоянием между галактиками, когда отбрасываютсямелкомасштабные различия.

Долгое время это былоединственным обоснованием гипотезы Фридмана как «грубого» приближения креальной Вселенной. Но потом по некой случайности выяснилось, что гипотезаФридмана и в самом деле дает удивительно точное описание нашей Вселенной.

В 1965 г. два американских физика,Арно Пензиас и Роберт Вильсон, работавших на фирме Bell Laboratories в шт. Нью-Джерси, испытывали оченьчувствительный «микроволновый», т. е. сверхвысокочастотный (С В Ч), детектор.(Микроволны — это то же, что и световые волны, но их частота всего лишь десятьтысяч миллионов волн в секунду.) Пензиас и Вильсон заметили, что уровень шума,регистрируемого их детектором, выше, чем должно быть. Этот шум не былнаправленным, приходящим с какой-то определенной стороны. Сначала названныеисследователи обнаружили в детекторе птичий помет и пытались объяснить эффектдругими причинами подобного рода, но потом все такие «факторы» были исключены.Они знали, что любой шум, приходящий из атмосферы, всегда сильнее не тогда,когда детектор направлен прямо вверх, а когда он наклонен, потому что лучисвета, идущие из-за горизонта, проходят через значительно более толстые слоиатмосферы, чем лучи, попадающие в детектор прямо сверху. «Лишний» же шумодинаков, куда бы ни направлять детектор. Следовательно, источник шума долженнаходиться за пределами атмосферы. Шум был одинаковым и днем, и ночью, и вообщев течение года, несмотря на то, что Земля вращается вокруг своей оси ипродолжает свое вращение вокруг Солнца. Это означало, что источник излучениянаходится за пределами Солнечной системы и даже за пределами нашей Галактики,ибо в противном случае интенсивность излучения изменялась бы, поскольку в связис движением Земли детектор меняет свою ориентацию. Как мы знаем, по пути к намизлучение проходит почти через всю наблюдаемую Вселенную. Коль скоро же оноодинаково во всех направлениях, то, значит, и сама Вселенная одинакова во всехнаправлениях, по крайней мере в крупном масштабе. Теперь нам известно, что, вкаком бы направлении мы ни производили наблюдения, этот шум изменяется небольше, чем на одну десятитысячную. Так Пензиас и Вильсон, ничего неподозревая, дали удивительно точное подтверждение первого предположения Фридмана.

Приблизительно в это же время дваамериканских физика из расположенного по соседству Принстонского университета,Боб Дикке и Джим Пиблс, тоже занимались исследованием микроволн. Они проверялипредположение Джорджа Гамова (бывшего ученика А. А. Фридмана) о том, что ранняяВселенная была очень горячей, плотной и раскаленной добела. Дикке и Пиблс высказалиту мысль, что мы можем видеть свечение ранней Вселенной, ибо свет, испущенныйочень далекими ее областями, мог бы дойти до нас только сейчас. Но из-зарасширения Вселенной красное смещение светового спектра должно быть так велико,что дошедший до нас свет будет уже микроволновым (СВЧ) излучением. Дикке иПиблс готовились к поиску такого излучения, когда Пензиас и Вильсон, узнав оработе Дикке и Пиблса, сообразили, что они его уже нашли. Зa этот эксперимент Пензиас и Вильсонбыли удостоены Нобелевской премии 1978 г. (что было не совсем справедливо,если вспомнить о Дикке и Пиблсе, не говоря уже о Гамове!).

Правда, на первый взгляд, тот факт, что Вселеннаякажется нам одинаковой во всех направлениях, может говорить о какой-товыделенности нашего местоположения во Вселенной. В частности, раз мы видим,что все остальные галактики удаляются от нас, значит, мы находимся в центреВселенной. Но есть и другое объяснение: Вселенная будет выглядеть одинаково вовсех направлениях и в том случае, если смотреть на нее из какой-нибудь другойгалактики. Это вторая гипотеза Фридмана. Нет научных доводов ни за, ни противэтого предположения, и его приняли, так сказать, из скромности: было бы крайнестранно, если бы Вселенная казалась одинаковой во всех направлениях тольковокруг нас, а в других ее точках этого не было! В модели Фридмана все галактикиудаляются друг от друга. Это вроде бы как надутый шарик, на который нанесеныточки, если его все больше надувать. Расстояние между любыми двумя точкамиувеличивается, но ни одну из них нельзя назвать центром расширения. Притом, чембольше расстояние между точками, тем быстрее они удаляются друг от друга. Но ив модели Фридмана скорость, с которой любые две галактики удаляются друг отдруга, пропорциональна расстоянию между ними. Таким образом, модель Фридманапредсказывает, что красное смещение галактики должно быть прямо пропорциональноее удаленности от нас, в точном соответствии с открытием Хаббла. Несмотря науспех этой модели и на согласие ее предсказаний с наблюдениями Хаббла, работаФридмана оставалась неизвестной на западе, и лишь в 1935 г. американский физикГовард Робертсон и английский математик Артур Уолкер предложили сходные моделив связи с открытием Хаббла.

Сам Фридман рассматривал только однумодель, но можно указать три разные модели, для которых выполняются оба фундаментальныхпредположения Фридмана. В модели первого типа (открытой самим Фридманом)Вселенная расширяется достаточномедленно для того, чтобы в силугравитационного притяжения между различными галактиками расширение Вселеннойзамедлялось и в конце концов прекращалось. После этого галактики начинаютприближаться друг к другу, и Вселенная начинает сжиматься. На рисункепоказано, как меняется со временем расстояние между двумя соседнимигалактиками.

Оно возрастает от нуля до некоегомаксимума, а потом опять падает до нуля. В модели второго типа расширениеВселенной происходит так быстро, что гравитационное притяжение, хоть изамедляет расширение, не может его остановить. На следующем рисунке показано,как изменяется в этой модели расстояние между галактиками.

Кривая выходит из нуля, а в концеконцов галактики удаляются друг от друга с постоянной скоростью. Есть, наконец,и модель третьего типа, в которой скорость расширения Вселенной только-толькодостаточна для того, чтобы избежать сжатия до нуля (коллапса). В этом случаерасстояние между галактиками тоже сначала равно нулю, а потом все времявозрастает. Правда, галактики «разбегаются» все с меньшей и меньшей скоростью,но она никогда не падает до нуля.

Модель Фридмана первого типаудивительна тем, что в ней Вселенная не бесконечна в пространстве, хотяпространство не имеет границ. Гравитация настолько сильна, что пространство,искривляясь, замыкается с самим собой, уподобляясь земной поверхности. Ведь,перемещаясь в определенном направлении по поверхности Земли, вы никогда ненатолкнетесь на абсолютно непреодолимую преграду, не вывалитесь через край и вконце концов вернетесь в ту же самую точку, откуда вышли. В первой моделиФридмана пространство такое же, но только вместо двух измерений поверхностьЗемли имеет три измерения. Четвертое измерение, время, тоже имеет конечнуюпротяженность, но оно подобно отрезку прямой, имеющему начало и конец. Потоммы увидим, что если общую теорию относительности объединить скван-товомеханическим принципом неопределенности, то окажется, что ипространство, и время могут быть конечными, не имея при этом ни краев, ниграниц.

Мысль о том, что можнообойти вокруг Вселенной и вернуться в то же место, годится для научнойфантастики, но не имеет практического значения, ибо, как можно показать,Вселенная успеет сжаться до нуля до окончания обхода. Чтобы вернуться висходную точку до наступления конца Вселенной, пришлось бы передвигаться соскоростью, превышающей скорость света, а это невозможно!

В первой модели Фридмана (вкоторой Вселенная расширяется и сжимается) пространство искривляется, замыкаясьсамо на себя, как поверхность Земли. Поэтому размеры его конечны. Во второй жемодели, в которой Вселенная расширяется бесконечно, пространство искривленоиначе, как поверхность седла. Таким образом, во втором случае пространствобесконечно. Наконец, в третьей модели Фридмана (с критической скоростьюрасширения) пространство плоское (и, следовательно, тоже бесконечное).

Но какая же из моделейФридмана годится для нашей Вселенной? Перестанет ли Вселенная наконецрасширяться и начнет сжиматься или же будет расширяться вечно? Чтобы ответитьна этот вопрос, нужно знать нынешнюю скорость расширения Вселенной и еесреднюю плотность. Если плотность меньше некоторого критического значения,зависящего от скорости расширения, то гравитационное притяжение будет слишкоммало, чтобы остановить расширение. Если же плотность больше критической, то вкакой-то момент в будущем из-за гравитации расширение Вселенной прекратится иначнется сжатие.

Сегодняшнюю скорость расширения Вселенной можно определить, измеряя (поэффекту Доплера) скорости удаления от нас других галактик. Такие измеренияможно выполнить очень точно. Но расстояния до других галактик нам плохоизвестны, потому что их нельзя измерить непосредственно. Мы знаем лишь, чтоВселенная расширяется за каждую тысячу миллионов лет на 5—10%. Однаконеопределенность в современном значении средней плотности Вселенной ещебольше. Если сложить массы всех наблюдаемых звезд в нашей и в другихгалактиках, то даже при самой низкой оценке скорости расширения сумма окажетсяменьше одной сотой той плотности, которая необходима для того, чтобырасширение Вселенной прекратилось. Однако и в нашей, и в других галактикахдолжно быть много «темной материи», которую нельзя видеть непосредственно, но осуществовании которой мы узнаем по тому, как ее гравитационное притяжениевлияет на орбиты звезд в галактиках. Кроме того, галактики в основном наблюдаютсяв виде скоплений, и мы можем аналогичным образом сделать вывод о наличии ещебольшего количества межгалактической темной материи внутри этих скоплений, влияющегона движение галактик. Сложив массу всей темной материи, мы получим лишь однудесятую того количества, которое необходимо для прекращения расширения. Нонельзя исключить возможность существования и какой-то другой формы материи,распределенной равномерно по всей Вселенной и еще не зарегистрированной,которая могла бы довести среднюю плотность Вселенной до критического значения,необходимого, чтобы остановить расширение. Таким образом, имеющиеся данныеговорят о том, что Вселенная, вероятно, будет расширяться вечно. Единственное,в чем можно быть совершенно уверенным, так это в том, что если сжатие Вселеннойвсе-таки произойдет, то никак не раньше, чем через десять тысяч миллионов лет,ибо по крайней мере столько времени она уже расширяется. Но это не должно насслишком сильно тревожить: к тому времени, если мы не переселимся за пределы Солнечнойсистемы, человечества давно уже не будет — оно угаснет вместе с Солнцем!

Все варианты модели Фридмана имеют тообщее, что в какой-то момент времени в прошлом (десять — двадцать тысячмиллионов лет назад) расстояние между соседними галактиками должно былоравняться нулю. В этот момент, который называется большим взрывом, плотностьВселенной и кривизна пространства-времени должны были быть бесконечными.Поскольку математики реально не умеют обращаться с бесконечно большими величинами,это означает, что, согласно общей теории относительности (на которой основанырешения Фридмана), во Вселенной должна быть точка, в которой сама эта теориянеприменима. Такая точка в математике называется особой (сингулярной). Всенаши научные теории основаны на предположении, что пространство-время гладкое ипочти плоское, а потому все эти теории неверны в сингулярной точке большоговзрыва, в которой кривизна пространства-времени бесконечна. Следовательно,даже если бы перед большим взрывом происходили какие-нибудь события, по нимнельзя было бы спрогнозировать будущее, так как в точке большого взрывавозможности предсказания свелись бы к нулю. Точно так же, зная только то, чтопроизошло после большого взрыва (а мы знаем только это), мы не сможем узнать, чтопроисходило до него. События, которые произошли до большого взрыва, не могутиметь никаких последствий, касающихся нас, и поэтому не должны фигурировать внаучной модели Вселенной. Следовательно, нужно исключить их из модели исчитать началом отсчета времени момент большого взрыва.

Мысль о том, что у временибыло начало, многим не нравится, возможно, тем, что в ней есть намек навмешательство божественных сил. (В то же время за модель большого взрываухватилась католическая церковь и в 1951 г. официально провозгласила, чтомодель большого взрыва согласуется с Библией.) В связи с этим известнонесколько попыток обойтись без большого взрыва. Наибольшую поддержку получиламодель стационарной Вселенной. Ее авторами (1948) были X. Бонди и Т. Гоулд, бежавшиеиз оккупированной нацистами Австрии, и англичанин Ф. Хойл, который во времявойны работал с ними над проблемой радиолокации. Их идея состояла в том, чтопо мере разбегания галактик на освободившихся местах из нового непрерывнорождающегося вещества все время образуются новые галактики. Следовательно,Вселенная должна выглядеть примерно одинаково во все моменты времени и во всехточках пространства. Конечно, для непрерывного «творения» вещества требоваласьнекоторая модификация теории относительности, но нужная скорость творенияоказывалась столь малой (одна частица на кубический километр в год), что невозникало никаких противоречий с экспериментом. Стационарная модель — этопример хорошей научной теории: она простая и дает определенные предсказания,которые можно проверять путем наблюдений. Одно из ее предсказаний таково:должно быть постоянным число галактик и других аналогичных объектов в любомзаданном объеме пространства независимо от того, когда и где во Вселеннойпроизводятся наблюдения. В конце 50-х — начале 60-х годов астрономы изКембриджского университета под руководством М. Райла (который во время войнывместе с Бонди, Гоулдом и Хойлом тоже занимался разработкой радиолокации)составили каталог источников радиоволн, приходящих из внешнего пространства.Эта кембриджская группа показала, что большая часть этих радиоисточников должнанаходиться вне нашей Галактики (многие источники можно было отождествить дажес другими галактиками) и, кроме того, что слабых источников гораздо больше,чем сильных. Слабые источники интерпретировались как более удаленные, а сильные— как те, что находятся ближе. Далее, оказалось, что число обычных источниковв единице объема в удаленных областях больше, чем вблизи. Это могло означать,что мы находимся в центре огромной области Вселенной, в которой меньшеисточников, чем в других местах. Но возможно было и другое объяснение: впрошлом, когда радиоволны начали свой путь к нам, источников было больше, чемсейчас. Оба эти объяснения противоречат предсказаниям теории стационарнойВселенной. Кроме того, микроволновое излучение, обнаруженное в 1965 г.Пензиасом и Вильсоном, тоже указывало на большую плотность Вселенной впрошлом, и поэтому от модели стационарной Вселенной пришлось отказаться.

В 1963 г. два советских физика, Е. М.Лифшиц и И. М. Халатников, сделали еще одну попытку исключить большой взрыв, ас ним и начало времени. Лифшиц и Халатников высказали предположение, чтобольшой взрыв — особенность лишь моделей Фридмана, которые, в конце концов,дают лишь приближенное описание реальной Вселенной. Не исключено, что из всехмоделей, в какой-то мере описывающих существующую Вселенную, сингулярность вточке большого взрыва возникает только в моделях Фридмана. Согласно Фридману,все галактики удаляются в прямом направлении друг от друга, и поэтому нетничего удивительного в том, что когда-то в прошлом все они находились в одномместе. Однако в реально существующей Вселенной галактики никогда не расходятсяточно по прямой: обычно у них есть еще и небольшие составляющие скорости,направленные под углом. Поэтому на самом деле галактикам не нужно находитьсяточно в одном месте — достаточно, чтобы они были расположены очень близко другк другу. Тогда нынешняя расширяющаяся Вселенная могла возникнуть не всингулярной точке большого взрыва, а на какой-нибудь более ранней фазе сжатия;может быть, при сжатии Вселенной столкнулись друг с другом не все частицы.Какая-то доля их могла пролететь мимо друг друга и снова разойтись в разныестороны, в результате чего и происходит наблюдаемое сейчас расширениеВселенной. Как тогда определить, был ли началом Вселенной большой взрыв?Лифшиц и Халатников занялись изучением моделей, которые в общих чертах были быпохожи на модели Фридмана, но отличались от фридмановских тем, что в нихучитывались нерегулярности и случайный характер реальных скоростей галактик воВселенной. В результате Лифшиц и Халатников показали, что в таких моделяхбольшой взрыв мог быть началом Вселенной даже в том случае, если галактики невсегда разбегаются по прямой, но это могло выполняться лишь для оченьограниченного круга моделей, в которых движение галактик происходитопределенным образом. Поскольку же моделей фридмановского типа, не содержащихбольшой взрыв, бесконечно больше, чем тех, которые содержат такую сингулярность,Лифшиц и Халатников утверждали, что на самом деле большого взрыва не было. Однакопозднее они нашли гораздо более общий класс моделей фридмановского типа,которые содержат сингулярности и в которых вовсе не требуется, чтобы галактикидвигались каким-то особым образом. Поэтому в 1970 г. Лифшиц и Халатниковотказались от своей теории.

Тем не менее, их работа имела оченьважное значение, ибо показала, что если верна общая теория относительности, тоВселенная могла иметь особую точку, большой взрыв. Но эта работа не давалаответа на главный вопрос: следует ли из общей теории относительности, что уВселенной должно было быть начало времени — большой взрыв? Ответ на этотвопрос был получен при совершенно другом подходе, предложенном в 1965 г.английским математиком и физиком Роджером Пенроузом. Исходя из поведениясветовых конусов в общей теории относительности и того, что гравитационные силывсегда являются силами притяжения, Пенроуз показал, что когда звезда сжимаетсяпод действием собственных сил гравитации, она ограничивается областью, поверхностькоторой, в конце концов, сжимается до нуля. А раз поверхность этой областисжимается до нуля, то же самое должно происходить и с ее объемом. Все веществозвезды будет сжато в нулевом объеме, так что ее плотность и кривизнапространства-времени станут бесконечными. Иными словами, возникнет сингулярностьв некой области пространства-времени, называемая черной дырой.

Несмотря на то, чтотеорема Пенроуза относилась, на первый взгляд, только к звездам, С. Хокинг,автор книги «От Большого Взрыва до черных дыр», прочитав в 1965 г. о теоремеПенроуза, согласно которой любое тело в процессе гравитационного коллапсадолжно в конце концов сжаться в сингулярную точку, понял, что если в этойтеореме изменить направление времени на обратное, так чтобы сжатие перешло врасширение, то эта теорема тоже будет верна, коль скоро Вселенная сейчас хотябы грубо приближенно описывается в крупном масштабе моделью Фридмана. Посоображениям технического характера в теорему Пенроуза «оыло введено вкачестве условия требование, чтобы Вселенная была бесконечна в пространстве.Поэтому на основании этой теоремы Хокинг мог доказать лишь, что сингулярностьдолжна существовать, если расширение Вселенной происходит достаточно быстро,чтобы не началось повторное сжатие (ибо только такие фридмановские моделибесконечны в пространстве). Потом Хокинг несколько лет разрабатывал новыйматематический аппарат, который позволил бы устранить это и другие техническиеусловия из теоремы о необходимости сингулярности. В итоге в 1970 г. Хокинг сПенроузом написали совместную статью, в которой наконец доказали, чтосингулярная точка большого взрыва должна существовать, опираясь только на то.что верна общая теория относительности и что во Вселенной содержится стольковещества, сколько мы видим.

КРАСНОЕ СМЕЩЕНИЕ — увеличение длинволн линий в спектре источника (смещение линий в сторону красной части спектра)по сравнению с линиями эталонных спектров. Количественно красное смещениехарактеризуется обычно величиной ž=(λприн — λисп)/λисп, гдеλисп и λприн — соответственно длина волны, испущенной источником, идлина волны, принятой наблюдателем (приёмником излучения). Известны двамеханизма, приводящих к появлению красного смещения.

Красное смещение, обусловленное эффектом Доплера, возникает в том случае, когдадвижение источника света относительно наблюдателя приводит к увеличениюрасстояния между ними. В релятивистском случае, когда скорость движенияисточника сравнима со скоростью света, красное смещение может возникнуть и втом случае, если расстояние между движущимся источником и приёмником неизменяется (т. н. поперечный эффект Доплера). Красное смещение, возникающеепри этом, интерпретируется как результат релятивистского «замедления» временина источнике по отношению к наблюдателю.

Гравитационное красное смещение возникает, когда приёмник света находится вобласти с меньшим (по модулю) гравитационным потенциалом φ, чем источник.В классической интерпретации этого эффекта фотоны теряют часть энергии (энергиифотона ε = hν0) на преодоление сил гравитации. В результате характеризующаяфотон частота ν уменьшается, а длина волны излучения λ=c/νрастёт: ν= ν0(l + (φ1 – φ2)/с2),где φ1 и φ2 – гравитационные потенциалы в местах генерации и приёма излучения. Примеромгравитационного красного смещения может служить наблюдаемое смещение линий вспектрах плотных звёзд — белых карликов.

Наибольшиекрасные смещения наблюдаются в спектрах далёких внегалактических объектов —галактик и квазаров — и интерпретируются как следствие расширения Вселенной.Величина z в первом приближении прямо пропорциональна лучевойскорости объектов, которая для внегалактических объектов пропорциональнарасстоянию r. Зависимость z от rчасто называют законом Хаббла:

cz = Hr, а величинуH- постоянной Хаббла. Закон Хаббла обычноиспользуется для определения расстояний до внегалактических объектов по ихкрасному смещению, если последнее достаточно велико (10-3<z<1, см.). Красное смещение для наиболее далёких из известныхгалактик составляют ~ 1, а для ряда квазаров превышают 3,5.

Список использованнойлитературы:

С. Хокинг «От Большого Взрыва до черных дыр»

Физика космоса:маленькая энциклопедия.

www.ronl.ru

Реферат: Расширяющаяся Вселенная и красное смещение. Реферат расширяющаяся вселенная

Реферат - Расширяющаяся Вселенная и красное смещение

Расширяющаяся Вселенная и красное смещение

Вселенная Хаббла

«Суперсила»

Реферат Расширяющаяся Вселенная и красное смещение

Донаучное рассмотрение происхождения Вселенной

Современная теория происхождения Вселенной

Вселенная Хаббла

«Суперсила»

Реферат - Модель большого взрыва и расширяющейся Вселенной

Реферат - Расширение вселенной и красное смещение

Смотрите также