ПЕРЕЛІК ДИСЦИПЛІН:
  • Адміністративне право
  • Арбітражний процес
  • Архітектура
  • Астрологія
  • Астрономія
  • Банківська справа
  • Безпека життєдіяльності
  • Біографії
  • Біологія
  • Біологія і хімія
  • Ботаніка та сільське гос-во
  • Бухгалтерський облік і аудит
  • Валютні відносини
  • Ветеринарія
  • Військова кафедра
  • Географія
  • Геодезія
  • Геологія
  • Етика
  • Держава і право
  • Цивільне право і процес
  • Діловодство
  • Гроші та кредит
  • Природничі науки
  • Журналістика
  • Екологія
  • Видавнича справа та поліграфія
  • Інвестиції
  • Іноземна мова
  • Інформатика
  • Інформатика, програмування
  • Історичні особистості
  • Історія
  • Історія техніки
  • Кибернетика
  • Комунікації і зв'язок
  • Комп'ютерні науки
  • Косметологія
  • Короткий зміст творів
  • Криміналістика
  • Кримінологія
  • Криптология
  • Кулінарія
  • Культура і мистецтво
  • Культурологія
  • Російська література
  • Література і російська мова
  • Логіка
  • Логістика
  • Маркетинг
  • Математика
  • Медицина, здоров'я
  • Медичні науки
  • Міжнародне публічне право
  • Міжнародне приватне право
  • Міжнародні відносини
  • Менеджмент
  • Металургія
  • Москвоведение
  • Мовознавство
  • Музика
  • Муніципальне право
  • Податки, оподаткування
  •  
    Бесплатные рефераты
     

     

     

     

     

     

         
     
    Розширення всесвіту і червоний зсув
         

     

    Астрономія

    РОЗШИРЕННЯ ВСЕСВІТУ

    Якщо в ясну безмісячну ніч подивитися на небо, то, швидше за все,найяскравішими об'єктами, які ви побачите, будуть планети Венера, Марс,
    Юпітер і Сатурн. Крім того, ви побачите величезну кількість зірок, схожихна наше Сонце, але знаходяться набагато далі від нас. При обертанні Землінавколо Сонця деякі з цих «нерухомих» зірок трохи змінюють своєположення щодо один одного, тобто насправді вони зовсім ненерухомі! Справа в тому, що вони трохи ближче до нас, ніж інші.
    Оскільки ж Земля обертається навколо Сонця, близькі зірки видно весь часв різних точках фону більш віддалених зірок. Завдяки цьому можнабезпосередньо виміряти відстань від нас до цих зірок: чим вони ближче,тим сильніше помітно їх переміщення. Найближча зірка, яка називається
    Проксіма Центавра, знаходиться від нас на відстані приблизно чотирьохсвітлових років (тобто світло від неї йде до Землі близько чотирьох років), або близько
    37 мільйонів мільйонів кілометрів. Більшість зірок, видимих неозброєнимоком, віддалені від нас на кілька сотень світлових років. Порівняйте це звідстанню до нашого Сонця, що складають всього вісім світлових хвилин!
    Видимі зірки розсипані по всьому нічному небі, але особливо густо в тійсмузі, яку ми називаємо Чумацьким Шляхом. Ще в 1750 р. деякіастрономи висловлювали думку, що існування Молочного Шляху пояснюєтьсятим, що більша частина видимих зірок утворює одну дископодібніконфігурацію - приклад того, що зараз називається спіральної галактикою.
    Лише через кілька десятиліть астроном Вільям Гершель підтвердив цеприпущення, виконавши колосальну роботу по складанню каталогаположень величезної кількості зірок і відстаней до них. Але навіть післяцього уявлення про спіральних галактиках було прийнято усіма лише впочатку нашого століття.
    Сучасна картина Всесвіту виникла тільки в 1924 р., коли американськийастроном Едвін Хаббл показав, що наша Галактика не єдина. На самомсправі існує багато інших галактик, розділених величезними областямипорожнього простору. Для доказу Хабблу було потрібно визначитивідстані до цих галактик, які настільки великі, що, на відміну відположень близьких зірок, видимі положення галактик дійсно незмінюються. Тому для вимірювання відстаней Хаббл був змушений вдатися донепрямими методами. Видима яскравість зірки залежить від двох чинників: відтого, яка кількість світла випромінює зірка (її світності), і від того,де вона знаходиться. Яскравість близьких зірок і відстань до них ми можемовиміряти; отже, ми можемо обчислити і їх світність. І навпаки,знаючи світність зірок в інших галактиках, ми могли б вирахувати відстаньдо них, вимірявши їх видиму яскравість, Хаббл зауважив, що світність деякихтипів зірок завжди одна й та сама, коли вони знаходяться досить близько длятого, щоб можна було проводити вимірювання. Отже, міркував
    Хаббл, якщо такі зірки виявляться в іншій галактиці, то, припустивши уних таку ж світність, ми зуміємо обчислити відстань до цієї галактики.
    Якщо подібні розрахунки для декількох зірок однієї і тієї ж галактики дадутьодин і той же результат, то отриману оцінку відстані можна вважатинадійною.

    Таким шляхом Хаббл розрахував відстані до дев'яти різних галактик.
    Тепер відомо, що наша Галактика - одна з декількох сотень тисячмільйонів галактик, які можна спостерігати в сучасні телескопи, акожна з цих галактик у свою чергу містить сотні тисяч мільйонівзірок. На малюнку нижче показано, який побачив би нашу Галактикуспостерігач, який живе в якій-небудь іншій галактиці.

    Наша Галактика має близько ста тисяч світлових років у поперечнику.
    Вона повільно обертається, а зірки в її спіральних рукавах кожні кількасотень мільйонів років роблять приблизно один оборот навколо її центру. Наше
    Сонце являє собою звичайну жовту зірку середньої величини,розташовану на внутрішній стороні одного з спіральних рукавів. Який жевеличезний шлях ми пройшли від Аристотеля і Птолемея, коли Земля вважаласяцентром Всесвіту!

    Зірки знаходяться так далеко від нас, що здаються простосвітяться точками в небі. Ми не розрізняємо ні їх розмірів, ні форми. Якж можна говорити про різні типи зірок? Для переважної більшості зірокіснує тільки одна характерна властивість, яке можна спостерігати - цеколір що йде від них світла. Ньютон відкрив, що, проходячи через триграннийшматок скла, званий призмою, сонячне світло розкладається, як у веселці,на колірні компоненти (спектри). Настроївши телескоп на яку-небудьокрему зірку або галактику, можна аналогічним чином розкласти вспектр світло, що випускається цією зіркою або галактикою. Різні зірки маютьрізні спектри, але відносна яскравість різних кольорів завжди в точностітака ж, як у світі, який випромінює який-небудь розпечений до червоногопредмет. (Світло, що випромінюється розпеченим до червоного непрозорим предметом,має дуже характерний спектр, що залежить тільки від температури предмети --теплової спектр. Тому ми можемо визначити температуру зірки по спектрувипромінюється нею світла.) Крім того, ми виявимо, що деякі дужеспецифічні кольору взагалі відсутні в спектрах зірок, причомувідсутні кольори різні для різних зірок. Оскільки, як ми знаємо,кожен хімічний елемент поглинає свій певний набір характернихкольорів, ми можемо порівняти їх з тими квітами, яких немає в спектрі зірки,і таким чином точно визначити, які елементи присутні в їїатмосфері.

    У 20-х роках, коли астрономи почали дослідження спектрів зірокінших галактик, виявилося щось ще більш дивне: у нашій власній
    Галактиці виявилися ті ж самі характерні набори відсутніх квітів,що й у зірок, але всі вони були зміщені на одну і ту ж величину до червоногокінця спектру. Щоб зрозуміти сенс сказаного, слід спочатку розібратися зефектом Доплера. Як ми вже знаємо, видиме світло - це коливанняелектромагнітного поля. Частота (число хвиль в одну секунду) світловихколивань надзвичайно висока-від чотирьохсот до семисот мільйонів мільйонівхвиль у секунду. Людське око сприймає світло різних частот якрізні кольори, причому самі низькі частоти відповідають червоному кінцяспектру, найвищі - фіолетовому. Уявімо собі джерело світла,розташований на фіксованій відстані від нас (наприклад, зірку),випромінює з постійною частотою світлові хвилі. Очевидно, що частотащо приходять хвиль буде такою ж, як та, з якою вони випромінюються (нехайгравітаційне поле галактики невелике і його вплив несуттєво).
    Припустимо тепер, що джерело починає рухатися в наш бік. Привипусканні наступної хвилі джерело виявиться ближче до нас, а тому час,за яке гребінь цієї хвилі до нас дійде, буде менше, ніж у випадкунерухомої зірки. Отже, час між гребенями двох прийшли хвильбуде менше, а число хвиль, що приймаються нами за одну секунду (тобточастота), буде більше, ніж коли зірка була нерухома. При видаленні жджерела частота приходять хвиль буде менше. Це означає, що спектривіддаляються зірок будуть зміщені до червоного кінця (червоний зсув), аспектри наближаються зірок повинні відчувати фіолетове зсув. Такеспіввідношення між швидкістю і частотою називається ефектом Доплера, і цейефект звичайний навіть в нашому повсякденному житті. Прислухайтеся до того, якйде по шосе машина: коли вона наближається, звук двигуна вище (тобтовище частота що випускаються ним звукових хвиль), а коли, проїхавши повз, машинапочинає віддалятися, звук стає нижче. Світлові хвилі і радіохвилі ведутьсебе аналогічним чином. Ефектом Доплера користується поліція, визначаючиздалеку швидкість руху автомашин за частотою радіосигналів, що відбиваютьсявід них. Довівши, що існують інші галактики, Хаббл всі наступніроки присвятив складання каталогів відстаней до цих галактик іспостереження їх спектрів. У той час більшість вчених вважали, що рухгалактик відбувається випадковим чином і тому спектрів, зміщених вчервону сторону, повинно спостерігатися стільки ж, скільки і зміщених вфіолетове. Яким же було здивування, коли у більшої частини галактиквиявилося червоне зміщення спектрів, тобто виявилося, що майже всігалактики віддаляються від нас! Ще більш дивним було відкриття,опубліковане Хабблом в 1929 р.: Хаббл виявив, що навіть величиначервоного зсуву не випадкова, а прямо пропорційна відстані від нас догалактики. Іншими словами, чим далі перебуває галактика, тим швидше вонавидаляється! А це означало, що Всесвіт не може бути статичним, якдумали раніше, що насправді вона безперервно розширюється і відстаніміж галактиками весь час зростають.

    Відкриття розширюється Всесвіту був одним з великихінтелектуальних переворотів двадцятого століття. Заднім числом ми можемо лишедивуватися тому, що ця ідея не прийшла нікому в голову раніше. Ньютон іінші вчені повинні були б зрозуміти, що статична Всесвіт незабаромобов'язково почала б стискатися під дією гравітації. Але припустимо,що Всесвіт, навпаки, розширюється. Якщо б розширення відбувалосядосить повільно, то під дією гравітаційної сили вона в кінцірешт припинилося б і перейшло до стиснення. Однак якщо б швидкістьрозширення перевищувала деяке критичне значення, то гравітаційноговзаємодії не вистачило б, щоб зупинити розширення, і вонотривало б вічно. Усе це трохи нагадує ситуацію, яка виникає,коли з поверхні Землі запускають вгору ракету. Якщо швидкість ракети недуже велика, то через гравітації вона врешті-решт зупиниться і почнепадати назад. Якщо ж швидкість ракети більше деякої критичної (близькоодинадцяти кілометрів на секунду), то гравітаційна сила не зможе їїповернути і ракета буде вічно продовжувати свій рух від Землі. Розширення
    Всесвіту могло бути передбачене на основі ньютонівської теорії тяжіння в
    XIX, XVIII і навіть у кінці XVII століття. Однак віра в статичну Всесвітбула настільки великою, що жила в умах ще на початку нашого століття. Навіть Ейнштейн,розробляючи в 1915 р. загальну теорію відносності, був упевнений устатичності Всесвіту. Щоб не вступати в протиріччя зі статичністю,
    Ейнштейн модифікував свою теорію, ввівши в рівняння так звануКосмологічна стала. Він запровадив нову «антигравітаційних» силу,яка на відміну від інших сил не породжувати будь-яким джерелом, абула закладена в саму структуру простору-часу. Ейнштейн стверджував,що простір-час саме по собі завжди розширюється і цим розширеннямточно врівноважується тяжіння всієї іншої матерії у Всесвіті, такщо в результаті Всесвіт виявляється статичної. Мабуть, лише одинлюдина повністю повірив у загальну теорію відносності: поки що Ейнштейн іінші фізики думали над тим, як обійти нестатічность Всесвіту,пророкує цією теорією, російський фізик і математик А. А. Фрідман,навпаки, зайнявся її поясненням.

    Фрідман зробив дві дуже простих вихідних припущення: по -перше, Всесвіт виглядає однаково, в якому б напрямку ми її ніспостерігали, і, по-друге, це твердження має залишатися справедливим і втому випадку, якщо б ми проводили спостереження з якого-небудь іншогомісця. Не вдаючись ні до яких інших припущеннями, Фрідман показав, що
    Всесвіт не повинна бути статичною. У 1922 р., за кілька років довідкриття Хаббла, Фрідман в точності передбачив його результат!

    Припущення про однаковості Всесвіту в усіх напрямках наНасправді, звичайно, не виконується. Як ми, наприклад, вже знаємо, іншізірки в нашій Галактиці утворюють чітко виділяється світлу смугу,що йде по всьому небу вночі - Чумацький Шлях. Але якщо говорити про далекігалактиках, то їх кількість в усіх напрямках приблизно однаково.
    Отже, Всесвіт дійсно «приблизно» однакова в усіхнапрямках - при спостереженні в масштабі, великому в порівнянні звідстанню між галактиками, коли відкидаються дрібномасштабнівідмінності.

    Довгий час це було єдиним обгрунтуванням гіпотези Фрідманаяк «грубого» наближення до реальної Всесвіту. Але потім за певноювипадковості з'ясувалося, що гіпотеза Фрідмана і справді даєдивно точний опис нашого Всесвіту.
    У 1965 р. два американських фізика, Арно Пензіас і Роберт Вільсон,що працювали на фірмі Bell Laboratories в шт. Нью-Джерсі, зазнавали дужечутливий «мікрохвильовий», тобто надвисокочастотних (С У Ч),детектор. (Мікрохвилі - це те саме, що й світлові хвилі, але їх частотавсього лише десять тисяч мільйонів хвиль в секунду.) Пензіас і Вільсонпомітили, що рівень шуму, що реєструється їх детектором, вище, ніж маєбути. Цей шум не був спрямованим, що приходять з якоїсь певноїсторони. Спочатку названі дослідники виявили в детекторі пташинийпослід і намагалися пояснити ефект іншими причинами подібного роду, алепотім всі такі «чинники» були виключені. Вони знали, що будь-який шум,що приходить з атмосфери, завжди сильніше не тоді, коли детектор спрямованийпрямо вгору, а коли він нахилений, тому що промені світла, що йдуть черезгоризонту, проходять через значно більш товсті шари атмосфери, ніжпромені, що потрапляють в детектор прямо зверху. «Зайвий» ж шум однаковий, куди бні направляти детектор. Отже, джерело шуму повинен знаходитися замежами атмосфери. Шум був однаковим і вдень, і вночі, і взагалі протягомроку, незважаючи на те, що Земля обертається навколо своєї осі і продовжуєсвоє обертання навколо Сонця. Це означало, що джерело випромінювання знаходитьсяза межами Сонячної системи і навіть за межами нашої Галактики, тому що вІнакше інтенсивність випромінювання змінювалася б, оскільки у зв'язку зрухом Землі детектор змінює свою орієнтацію. Як ми знаємо, по дорозі донам випромінювання проходить майже через всю спостерігається Всесвіт. Коль скоро жвоно однаково у всіх напрямках, то, значить, і сам Всесвіт однаковау всіх напрямках, принаймні у великому масштабі. Тепер намвідомо, що, в якому б напрямку ми не проводили спостереження, цейшум змінюється не більше, ніж на одну десятитисячну. Так Пензіас і
    Вільсон, нічого не підозрюючи, дали дивно точне підтвердженняперше припущення Фрідмана.

    Приблизно в цей же час дві американських фізика зрозташованого по сусідству Прінстонського університету, Боб Дікке і Джим
    Піблс, теж займалися дослідженням мікрохвиль. Вони перевіряли припущення
    Джорджа Гамова (колишнього учня А. А. Фрідмана) про те, що початковий Всесвітбула дуже гарячою, щільною і розпеченим до білого. Дікке і Піблс висловилиту думку, що ми можемо бачити світіння раннього Всесвіту, бо світло,іспущенний дуже далекими її областями, міг би дійти до нас тільки зараз.
    Але через розширення Всесвіту червоне зміщення світлового спектру маєбути таке велике, що дійшов до нас світло буде вже мікрохвильовим (СВЧ)випромінюванням. Дікке і Піблс готувалися до пошуку такого випромінювання, коли
    Пензіас і Вільсон, дізнавшись про роботу Дікке і Піблс, зрозуміли, що вони йоговже знайшли. Зa цей експеримент Пензіас і Вільсон були удостоєні Нобелівськоїпремії 1978 р. (що було не зовсім справедливо, якщо згадати про Дікке і
    Піблс, не кажучи вже про Гамов !).

    Правда, на перший погляд, той факт, що Всесвіт здається нам однаковоюу всіх напрямках, може говорити про яку-то виділення нашогомісця розташування у Всесвіті. Зокрема, раз ми бачимо, що всі іншігалактики віддаляються від нас, значить, ми знаходимося в центрі Всесвіту. Алеє й інше пояснення: Всесвіт буде виглядати однаково у всіхнапрямках і в тому випадку, якщо дивитися на неї з якої-небудь іншоїгалактики. Це друга гіпотеза Фрідмана. Ні наукових аргументів ні за, ніпроти цього припущення, і його взяли, так би мовити, зі скромності: булоб украй дивно, якщо б Всесвіт здавалася однаковими у всіхнапрямках тільки навколо нас, а в інших її точках цього не було! Умоделі Фрідмана всі галактики віддаляються один від одного. Це начебто якнадута кулька, на який нанесені точки, якщо його все більше надувати.
    Відстань між будь-якими двома точками збільшується, але жодну з нихне можна назвати центром розширення. Притому, чим більше відстань міжточками, тим швидше вони віддаляються один від одного. Але і в моделі Фрідманашвидкість, з якою будь-які дві галактики віддаляються один від одного,пропорциона?? ьна відстані між ними. Таким чином, модель Фрідманапередбачає, що червоне зміщення галактики має бути прямопропорційно її віддаленості від нас, у точній відповідності з відкриттям
    Хаббла. Незважаючи на успіх цієї моделі і на згоду її прогнозів зспостереженнями Хаббла, робота Фрідмана залишалася невідомою на заході, ілише в 1935 р. американський фізик Говард Робертсон і англійський математик
    Артур Уолкер запропонували схожі моделі у зв'язку з відкриттям Хаббла.

    Сам Фрідман розглядав тільки одну модель, але можна вказати трирізні моделі, для яких виконуються обидва фундаментальних припущення
    Фрідмана. У моделі першого типу (відкритої самим Фрідманом) Всесвітрозширюється досить повільно для того, щоб в силу гравітаційногопритягання між різними галактиками розширення Всесвіту сповільнювалося іврешті-решт припинялося. Після цього галактики починають наближатисяодин до одного, і Всесвіт починає стискуватися. На малюнку показано, якзмінюється з часом відстань між двома сусідніми галактиками.

    Воно зростає від нуля до якогось максимуму, а потім знову падає до нуля.
    У моделі другого типу розширення Всесвіту відбувається так швидко, щогравітаційне тяжіння, хоч і сповільнює розширення, не може йогозупинити. На наступному малюнку показано, як змінюється в цій моделівідстань між галактиками.

    Крива виходить з нуля, а в кінці кінців галактики віддаляються один від одногоз постійною швидкістю. Є, нарешті, і модель третього типу, в якійшвидкість розширення Всесвіту тільки-тільки достатня для того, щобуникнути стиску до нуля (колапсу). У цьому випадку відстань міжгалактиками теж спочатку дорівнює нулю, а потім весь час зростає. Правда,галактики «розбігаються» все з меншою і меншою швидкістю, але вона ніколине падає до нуля.

    Модель Фрідмана першого типу дивовижна тим, що в ній Всесвітне нескінченна в просторі, хоча простір не має меж. Гравітаціянастільки сильна, що простір, стежки, замикається з самим собою,уподібнюючись земної поверхні. Адже, переміщаючись в певномунапрямку по поверхні Землі, ви ніколи не натрапите на абсолютнонепереборну перешкоду, не вивалити через край і врешті-решт повернетесяв ту ж саму точку, звідки вийшли. У першій моделі Фрідмана простіртаке ж, але тільки замість двох вимірювань поверхню Землі має тривимірювання. Четвертий вимір, час, теж має кінцеву протяжність,але воно подібно відрізку прямої, що має початок і кінець. Потім ми побачимо,що якщо загальну теорію відносності об'єднати з кван-товомеханіческімпринципом невизначеності, то виявиться, що і простір, і час можутьбути кінцевими, не маючи при цьому ні краю, ні кордонів.

    Думка про те, що можна обійти навколо Всесвіту і повернутися в тойж місце, годиться для наукової фантастики, але не має практичногозначення, бо, як можна показати, Всесвіт встигне стиснутися до нуля дозакінчення обходу. Щоб повернутися в початкову точку до настання кінця
    Всесвіту, довелося б пересуватися зі швидкістю, що перевищує швидкістьсвітла, а це неможливо!

    У першій моделі Фрідмана (в якій Всесвіт розширюється істискується) простір викривляється, замикаючись саме на себе, якповерхню Землі. Тому розміри його кінцеві. У другому ж моделі, вякої Всесвіт розширюється нескінченно, простір викривлений інакше,як поверхню сідла. Таким чином, у другому випадку простірнескінченно. Нарешті, у третьому моделі Фрідмана (з критичною швидкістюрозширення) простір плоске (і, отже, теж нескінченне).

    Але яка ж з моделей Фрідмана годиться для нашого Всесвіту?
    Перестане чи Всесвіт нарешті розширюватися і почне стискатися або ж будерозширюватися вічно? Щоб відповісти на це запитання, потрібно знати нинішнюшвидкість розширення Всесвіту і її середню щільність. Якщо щільність меншедеякого критичного значення, що залежить від швидкості розширення, тогравітаційне тяжіння буде занадто мало, щоб зупинити розширення.
    Якщо ж щільність більше критичної, то в якийсь момент в майбутньому черезгравітації розширення Всесвіту припиниться і почнеться стиснення.

    Сьогоднішню швидкість розширення Всесвіту можна визначити,вимірюючи (по ефекту Доплера) швидкості віддалення від нас інших галактик.
    Такі вимірювання можна виконати дуже точно. Але відстані до іншихгалактик нам погано відомі, тому що їх не можна виміряти безпосередньо.
    Ми знаємо лише, що Всесвіт розширюється за кожну тисячу мільйонів років на
    5-10%. Проте невизначеність у сучасному значенні середньої щільності
    Всесвіту ще більше. Якщо скласти маси всіх спостережуваних зірок у нашій і вінших галактиках, то навіть при самій низькій оцінці швидкості розширеннясума виявиться менше однієї сотої тієї щільності, яка необхідна длятого, щоб розширення Всесвіту припинилося. Проте і в нашій, і в іншихгалактиках має бути багато «темної матерії», яку не можна бачитибезпосередньо, але про існування якої ми дізнаємося з того, як їїгравітаційне тяжіння впливає на орбіти зірок в галактиках. Крім того,галактики в основному спостерігаються у вигляді скупчень, і ми можемо аналогічнимчином зробити висновок про наявність ще більшої кількості міжгалактичноїтемної матерії усередині цих скупчень, що впливає на рух галактик.
    Склавши масу всієї темної матерії, ми отримаємо лише одну десяту тогокількості, яка необхідна для припинення розширення. Але не можнавиключити можливість існування і якоїсь іншої форми матерії,розподіленої рівномірно по всій Всесвіту і ще не зареєстрованою,яка могла б довести середню щільність Всесвіту до критичногозначення, необхідного, щоб зупинити розширення. Таким чином,наявні дані говорять про те, що Всесвіт, ймовірно, буде розширюватисявічно. Єдине, в чому можна бути абсолютно впевненим, так це в тому,що якщо стиск Всесвіту все-таки відбудеться, то аж ніяк не раніше, ніжчерез десять тисяч мільйонів років, бо принаймні стільки часу вонавже розширюється. Але це не повинно нас занадто сильно турбувати: до тогочасу, якщо ми не переселилися за межі Сонячної системи, людствадавно вже не буде - воно погасне разом із Сонцем!

    Всі типи моделі Фрідмана мають те спільне, що в якийсьмомент часу в минулому (десять - двадцять тисяч мільйонів років тому)відстань між сусідніми галактиками повинно було дорівнювати нулю. У цеймомент, який називається великим вибухом, густина Всесвіту й кривизнапростору-часу повинні були бути нескінченними. Оскільки математикиреально не вміють поводитися з нескінченно великими величинами, це означає,що, відповідно до загальної теорії відносності (на якій базуються рішення
    Фрідмана), у Всесвіті повинна бути точка, в якій сама ця теоріянепридатна. Така точка в математиці називається особливою (сингулярною). Всінаші наукові теорії засновані на припущенні, що простір-часгладке і майже плоске, а тому всі ці теорії невірні в сингулярноюточці великого вибуху, в якій кривизна простору-часу нескінченна.
    Отже, навіть якщо б перед великим вибухом відбувалися які-небудьподії, за ними не можна було б спрогнозувати майбутнє, так як в точцівеликого вибуху можливості пророкування звелися б до нуля. Точно так само,знаючи тільки те, що відбулося після великого вибуху (а ми знаємо тількице), ми не зможемо дізнатися, що відбувалося до нього. Події, яківідбулися до великого вибуху, не можуть мати жодних наслідків,що стосуються нас, і тому не повинні фігурувати в науковій моделі
    Всесвіту. Отже, треба виключити їх з моделі і вважати початкомвідліку часу момент великого вибуху.

    Думка про те, що у часу був початок, багатьом не подобається,можливо, тим, що в ній є натяк на втручання божественних сил. (ВВодночас за модель великого вибуху вхопилася католицька церква і в
    1951 офіційно проголосила, що модель великого вибуху узгоджується з
    Біблією.) У зв'язку з цим відомо кілька спроб обійтися без великоговибуху. Найбільшу підтримку отримала модель стаціонарного Всесвіту. Їїавторами (1948) були X. Бонді і Т. Гоулд, що втекли з окупованоїнацистами Австрії, і англієць Ф. Хойл, який під час війни працював зними над проблемою радіолокації. Їхня ідея полягала в тому, що в мірурозбігання галактик на звільнених місцях з нового безперервнонароджується речовини весь час утворюються нові галактики. Отже,
    Всесвіт має виглядати приблизно однаково в усі моменти часу і ввсіх точках простору. Звичайно, для безперервного «творіння» речовинибула потрібна деяка модифікація теорії відносності, але потрібнашвидкість творіння виявлялася такою малою (одна частка на кубічнийкілометр на рік), що не виникало ніяких протиріч з експериментом.
    Стаціонарна модель - це приклад хорошої наукової теорії: вона проста і даєпевні передбачення, які можна перевіряти шляхом спостережень. Однез її пророкувань таке: має бути постійним число галактик та іншиханалогічних об'єктів у будь-якому заданому обсязі простору незалежно відтого, коли і де у Всесвіті проводяться спостереження. Наприкінці 50-х --початку 60-х років астрономи з Кембріджського університету під керівництвом
    М. Райла (який під час війни разом з Бонді, Гоулдом і Хойл тежзаймався розробкою радіолокації) склали каталог джерел радіохвиль,що приходять із зовнішнього простору. Ця кембріджська група показала, щобільша частина цих радіоджерела повинна перебувати поза нашої Галактики
    (багато джерел можна було ототожнити навіть з іншими галактиками) і,крім того, що слабких джерел набагато більше, ніж сильних. Слабкіджерела інтерпретувалися як більш віддалені, а сильні - як ті, щознаходяться ближче. Далі, виявилося, що кількість звичайних джерел в одиниціобсягу у віддалених областях більше, ніж зблизька. Це могло означати, що мизнаходимося в центрі величезної області Всесвіту, в якій менше джерел,ніж в інших місцях. Але можливо було й інше пояснення: в минулому, колирадіохвилі почали свій шлях до нас, джерел було більше, ніж зараз. Обидваці пояснення суперечать прогнозам теорії стаціонарного Всесвіту.
    Крім того, мікрохвильове випромінювання, виявлене в 1965 р. Пензиасом і
    Вільсоном, теж вказувало на велику щільність Всесвіту в минулому, ітому від моделі стаціонарного Всесвіту довелося відмовитися.

    У 1963 р. два радянських фізика, Е. М. Лифшиц та І. М. Халатников,зробили ще одну спробу виключити великий вибух, а з ним і початок часу.
    Ліфшиц і Халатников висловили припущення, що великий вибух --особливість лише моделей Фрідмана, які, врешті-решт, дають лишенаближене опис реальної Всесвіту. Не виключено, що з усіхмоделей, в якійсь мірі описують існуючу Всесвіт, сингулярністьв точці великого вибуху виникає тільки в моделях Фрідмана. Згідно
    Фрідману, всі галактики віддаляються в прямому напрямку один від одного, ітому немає нічого дивного в тому, що колись у минулому всі вонизнаходилися в одному місці. Однак у реально існуючої Всесвіту галактикиніколи не розходяться точно по прямій: зазвичай у них є ще й невеликіскладові швидкості, направлені під кутом. Тому насправдігалактик не потрібно знаходитися точно в одному місці - достатньо, щоб вонибули розташовані дуже близько одне до одного. Тоді нинішня розширюється
    Всесвіт міг виникнути не в сингулярної точці великого вибуху, а наякий-небудь більш ранній фазі стиснення; може бути, при стисненні Всесвітузіткнулися один з одним не всі частинки. Якась частка їх могла пролетітиповз один одного і знову розійтися в різні сторони, в результаті чого івідбувається зараз спостерігається розширення Всесвіту. Як тоді визначити,чи був початком Всесвіту великий вибух? Ліфшиц і Халатников зайнялисявивченням моделей, які в загальних рисах були б схожі на моделі
    Фрідмана, але відрізнялися від фрідмановскіх тим, що в них враховувалисянерегулярності і випадковий характер реальних швидкостей галактик у
    Всесвіту. У результаті Ліфшиц і Халатников показали, що в таких моделяхвеликий вибух міг бути початком Всесвіту навіть у тому випадку, якщо галактикине завжди розбігаються по прямій, але це могло виконуватися лише для дужеобмеженого кола моделей, в яких рух галактик відбуваєтьсяпевним чином. Оскільки ж моделей фрідмановского типу, нещо містять великий вибух, нескінченно більше, ніж тих, які містятьтаку сингулярність, Лифшиц і Халатников стверджували, що насправдівеликого вибуху не було. Однак пізніше вони знайшли набагато більш загальний класмоделей фрідмановского типу, які містять сингулярності і в якихзовсім не потрібно, щоб галактики рухалися якимось особливим чином.
    Тому в 1970 р. Ліфшиц і Халатников відмовилися від своєї теорії.
    Тим не менше, їхня робота мала дуже важливе значення, бо показала, що якщовірна загальна теорія відносності, то Всесвіт міг мати особливу точку,великий вибух. Але ця робота не давала відповіді на головне питання: чи слідіз загальної теорії відносності, що у Всесвіті повинно було бути початокчасу - великий вибух? Відповідь на це питання було отримано при зовсіміншого підходу, запропонованому в 1965 р. англійським математиком і фізиком
    Роджер Пенроуз. Виходячи з поведінки світлових конусів в загальній теоріївідносності і того, що гравітаційні сили завжди є силамитяжіння, Пенроуз показав, що коли зірка стискається під дієювласних сил гравітації, вона обмежується областю, поверхняякої, зрештою, стискується до нуля. А раз поверхня цієї областістискується до нуля, те ж саме має відбуватися і з її об'ємом. Всіречовина зірки буде стисло в нульовому обсязі, так що її щільність ікривизна простору-часу стануть нескінченними. Іншими словами, виникнесингулярність в певній області простору-часу, що називається чорноїдірою.

    Незважаючи на те, що теорема Пенроуза ставилася, на першомупогляд, тільки до зірок, С. Хокінг, автор книги «Від Великого Вибуху дочорних дірок », прочитавши у 1965 р. про теоремі Пенроуза, згідно з якою будь-якийтіло в процесі гравітаційного колапсу має врешті-решт стиснутися всингулярна точку, зрозумів, що якщо в цій теоремі змінити напрямчасу на протилежне, так щоб стиск перейшло в розширення, то ця теорематеж буде вірна, коли вже Всесвіт зараз хоча б грубо наближеноописується у великому масштабі моделлю Фрідмана. З міркуваньтехнічного характеру в теорему Пенроуза "оило введено як умовувимога, щоб Всесвіт був нескінченна в просторі. Тому напідставі цієї теореми Хокінг міг довести лише, що сингулярність повиннаіснувати, якщо розширення Всесвіту відбувається досить швидко, щобне розпочалося повторне стиснення (бо тільки такі фрідмановскіе моделінескінченні в просторі). Потім Хокінг кілька років розробляв новийматематичний апарат, який дозволив би усунути це і іншітехнічні умови з теореми про необхідність сингулярності. У результаті в
    1970 Хокінг з Пенроуз написали спільну статтю, у якій нарештідовели, що сингулярна точка великого вибуху повинна існувати,спираючись тільки на те. що вірна загальна теорія відносності і що у
    Всесвіту міститься стільки речовини, скільки ми бачимо.

    Вигляд - збільшення довжин хвиль ліній в спектрі джерела
    (зміщення ліній у бік червоної частини спектру) в порівнянні з лініямиеталонних спектрів. Кількісно червоний зсув характеризується звичайновеличиною? = (? прин -? исп) /? ісп, де? исп і? прин - відповідно довжинахвилі, іспущенной джерелом, і довжина хвилі, прийнятої спостерігачем
    (приймачем випромінювання). Відомі два механізми, що приводять до появичервоного зміщення.

    Вигляд, обумовлене ефектом Доплера, виникає в томувипадку, коли рух джерела світла відносно спостерігача призводить дозбільшення відстані між ними. У релятивістської випадку, коли швидкістьруху джерела порівнянна зі швидкістю світла, червоне зміщення можевиникнути і в тому випадку, якщо відстань між рухомим джерелом іприймачем не змінюється (т. н. поперечний ефект Доплера). Червонезсув, що виникає при е.?? му, інтерпретується як результатрелятивістського «уповільнення» часу на джерелі по відношенню доспостерігачеві.

    Гравітаційне червоне зміщення виникає, коли приймач світлазнаходиться в області з меншим (за модулем) гравітаційним потенціалом?, ніжджерело. У класичній інтерпретації цього ефекту фотони втрачають частинуенергії (енергії фотона? = h? 0) на подолання сил гравітації. Урезультаті характеризує фотон частота? зменшується, а довжина хвилівипромінювання? = C /? зростає:? =? 0 (l + (? 1 -? 2)/с2), де? 1 та? 2 --гравітаційні потенціали в місцях генерації і прийому випромінювання. Прикладомгравітаційного червоного зсуву може служити спостерігається зсув лінійв спектрах щільних зірок - білих карликів.
    Найбільші червоні зміщення спостерігаються в спектрах далекихпозагалактичних об'єктів - галактик і квазарів - і інтерпретуються якнаслідок розширення Всесвіту. Величина z в першому наближенні прямопропорційна променевої швидкості об'єктів, яка для позагалактичнихоб'єктів пропорційна відстані r. Залежність від z r часто називаютьзаконом Хаббла:cz = Hr, а величину H - постійною Хаббла. Закон Хаббла звичайно використовуєтьсядля визначення відстаней до позагалактичних об'єктів за їх червономузсуву, якщо останнє досить велике (10-3

         
     
         
    Реферат Банк
     
    Рефераты
     
    Бесплатные рефераты
     

     

     

     

     

     

     

     
     
     
      Все права защищены. Reff.net.ua - українські реферати !