Курсовая работа: Эволюция Вселенной

В ходе споров, с одной стороны, постепенно уточнялись и усложнялись сами фундаментальные понятия, фигурирующие в космологии: конечность и ограниченность, бесконечность и безграничность, наконец, неоднозначность таких понятий, как «вся Вселенная», «Вселенная в целом», неправомерность отождествления таких понятий, как «Вселенная» и «Метагалактика». С другой стороны, наблюдения подтвердили факт расширения всей наблюдаемой области Вселенной. Большинство современных космологов понимают это расширение, как расширение действительно всей мыслимой и существующей Вселенной… К сожалению, ранняя смерть не позволила гениальному теоретику Вселенной А.А. Фридману, идеи которого более полувека направляют мысль космологов, самому принять участие в дальнейшем революционном развитии процесса обновления космологической картины мира. Опыт истории развития знаний о мире подсказывает, однако, что и современная релятивистская космологическая картина мира, будучи результатом экстраполяции на все мыслимое «целое» знаний об ограниченной части Вселенной, неизбежно неточна. Поэтому можно думать, что она скорее отражает свойства ограниченной части Вселенной (которую и можно назвать Метагалактикой), причем, возможно, лишь один из этапов ее развития (что допускает релятивистская космология и что может проясниться с уточнением средней плотности материи в Метагалактике). В настоящее время, однако, в этом пункте картина мира остается неопределенной.

Закон Хаббла

Закон Хаббла (закон всеобщего разбегания галактик) – эмпирический закон, связывающий красное смещение галактик и расстояние до них линейным образом:

c z = D H₀ ,

где z – красное смещение галактики, D – расстояние до нее, H₀ – коэффициент пропорциональности, называемый постоянная Хаббла. При малом значении z

c z = V_r ,

где V_r – скорость галактики вдоль луча зрения наблюдателя, и закон принимает классический вид:

.

С помощью этого закона можно рассчитать так называемый Хаббловский возраст Вселенной (в предположении, что «разбегание» галактик действительное):

;

этот возраст с точностью до множителя 2 соответствует возрасту Вселенной, рассчитываемому по стандартной космологической модели Фридмана.

Закон Хаббла установлен экспериментально Э. Хабблом в 1929 для галактик с помощью 100» телескопа, который разрешает ближайшие галактики на звезды. Среди них были цефеиды, используя зависимость «период-светимость» которых, Хаббл измерил расстояние до них, а также красное смещение. Полученный Хабблом коэффициент пропорциональности составлял около 500 км/с на мегапарсек. Современное значение составляет 74,2 ± 3,6 км/с на мегапарсек. Столь существенную разницу обеспечивают два фактора: отсутствие поправки нуль-пункта зависимости «период-светимость» на поглощение (которое тогда ещё не было открыто) и существенный вклад собственных скоростей в общую скорость для местной группы галактик.

«Горячая» Вселенная Гамова

На основании первых наблюдений преобладания красных смещений в спектрах далеких галактик, еще до установления линейного закона «красного смещения» (закон Хаббла, 1929 г.) бельгийский астроном Ж. Леметр, независимо от А.А. Фридмана, выдвинул в 1927 г. свою знаменитую идею возникновения Вселенной из одного «атома-отца» и ее расширения. В такой форме гипотеза была весьма удобной для религиозного истолкования природы и встретила, поэтому резко критическое отношение со стороны философов-материалистов. В 30-е годы концепция Леметра была развита Эддингтоном (стоявшим на позициях Эйнштейна) как модель расширения Вселенной из первоначального плотного сгустка обычного вещества. Тогда же Милн, опираясь на собственную «кинематическую теорию относительности», дал свою интерпретацию разбегания галактик как результата взрыва сверхплотного сгустка некой особой «первичной» материи, из которой «на ходу» формировались затем звезды, галактики, планеты. Но формирование более конкретной физически разработанной эволюционной космолого-космогонической модели расширяющейся Вселенной, получившей название теории «Big Bang» (Большого Взрыва), связано в первую очередь с именем одного из крупнейших ученых современности, американского физика русского происхождения Джорджа (Георгия Антоновича) Гамова (1904–1968). Он был специалистом по атомной и ядерной физике, но внес фундаментальный вклад и в астрофизику и, кроме того, в генетику. Одним из первых он использовал успехи ядерной физики, включая свои собственные результаты, для решения проблемы источников внутризвездной энергии и для развития теории эволюции звезд. Дж. Гамов построил первую ядерную теорию эволюции звезд. В 1939 г. он предложил нейтринную теорию сверхновых звезд. Совместно с М. Шенбергом в 1940–1941 гг. он раскрыл существенные стороны ядерного механизма взрывов сверхновых, указав на большую роль в этом процессе нейтрино. В 1942 г. Гамов построил детальную теорию эволюции наиболее крупных звезд – красных гигантов. Но для формирования современной астрономической картины мира наиболее значительным его вкладом стала выдвинутая им в 1946 г. и развитая впоследствии вместе со своими учениками теория Большого Взрыва. Согласно этой теории, конкретизировавшей на материале ядерной физики идеи расширяющейся Вселенной Фридмана – Леметра, вся современная наблюдаемая нами Вселенная представляет собою результат катастрофического взрыва материи, находившейся до того в чудовищно сжатом сверх-сверхплотном состоянии, недоступном пока для понимания и описания в рамках современной физики. Начавшееся при этом «взрыве» расширение материн, вернее, чудовищно быстрый вначале разлет ее в форме неразделимой смеси – высокотемпературного излучения и вещества – элементарных частиц, обладавших релятивистскими скоростями, наблюдается и в наши дни в виде эффекта хаббловского линейно-изотропного «расширения Вселенной» или «красного смещения».

Совместно со своими учениками и сотрудниками – физиками Р. Альфером и Р. Германом, Дж. Гамов в 1948 г. развил теорию образования в ранней Вселенной химических элементов тяжелее водорода в результате ядерного синтеза (теория нейтронного захвата), происходившего, уже в начальный период расширения и остывания горячего «начального» вещества, за которое они принимали сначала нейтроны. Предполагалось, что их распад (на протоны и электроны) и дальнейшие комбинации получавшихся частиц обеспечили формирование современного химического состава Вселенной, в котором главное место занимает водород (70–80%), но дальнейшие наблюдения заставили астрофизиков допустить, что часть гелия образовалась уже на ранней, дозвездной стадии расширения Вселенной, а доступное пониманию начальное вещество Вселенной состояло из равного числа нейтронов и протонов. Огромное обилие водорода в наблюдаемой Вселенной заставляет предположить, что в начальной фазе ее расширения она была заполнена главным образом высокотемпературным излучением (фотонами), хотя уже содержала и некоторое число частиц и античастиц. После их взаимной аннигиляции остался некий избыток (имевшийся изначально) частиц – тяжелых (барионов: нейтронов и протонов) и легких (лептонов: электронов и нейтрино). Это исходное соотношение между числом фотонов, нейтрино, барпонов и электронов сохраняется и в современной Вселенной. По наблюдаемому обилию легких элементов (Н и Не) оно было оценено Альфером и Германом как 109:10:1:1. Из наблюдаемой плотности в Космосе ядерных, тяжелых частиц Гамов, Альфер и Герман предсказали в 1948 г., что в современной Вселенной это остывшее первичное излучение должно наблюдаться как тепловое, соответствующее температуре около 5 К, т.е. с максимумом в сантиметровом диапазоне радиоволн. В 50-е годы ряд обстоятельств помешал группе Гамова продолжить эти исследования, а главное – осуществить проверку теории наблюдением – поисками остаточного излучения. Развитию теории препятствовали и недостаток наблюдательных сведений о распространенности различных химических элементов во Вселенной, и – главное – общее скептическое отношение «серьезных» астрофизиков и многих физиков тех лет к возможности самой постановки, а тем более решения столь фантастической проблемы, как начало истории всей Вселенной в целом! Проверить же предсказание о сохранившемся первичном тепловом радиоизлучении с современной температурой около 5К специалистам радиофизикам представлялось невозможным: все были уверены, что такой слабый сигнал нельзя выделить, по крайней мере, с имевшейся аппаратурой, из общего радиошума – радиоизлучения звезд, галактик, межзвездной среды. Полтора десятка лет концепция Большого Взрыва оставалась курьезом, игрой ума немногих физиков и космологов. Проблема холодного или горячего начального состояния современной Вселенной вызывала уже острые дискуссии, и сама становилась «горячим», дискуссионным элементом в астрономической картине мира. В результате американский радиофизик Дикке даже начал подготовку к наблюдательной проверке концепции Большого Взрыва… Поэтому, когда в 1964 г. американские радиоинженеры, не слыхавшие о теории Гамова, А. Пензиас и Р. Уилсон при испытании рупорной антенны для наблюдения американского спутника «Эхо» открыли случайно существование микроволнового (на волне 7,35 см) космического радиошума, не зависящего от направления антенны, это открытие сразу же попало в центр внимания американских астрофизиков – космологов Дикке, Пиблса и др. Последние сразу поняли, что речь идет о предсказанном группой Гамова первичном остаточном радиоизлучении и что теория горячей Вселенной получила важнейшее наблюдательное подтверждение. Это величайшее в астрономии XX в. открытие, по существу, коллективное и в значительной степени ставшее результатом созревшей для его восприятия научной атмосферы, или картины мира, сделало достоверным фактом, по меньшей мере, то, что у нашей Вселенной (Метагалактики) имелась ее ранняя история, т.е. что она действительно эволюционирует.

Этапы эволюции горячей Вселенной, неоднозначность сценария. Антропный принцип

Космология – раздел астрофизики, изучающий строение и эволюцию Вселенной в целом. Современная космология возникла в начале XX века. Данные астрофизических наблюдений показывают, что крупнейшими структурными единицами Вселенной являются большие скопления и сверхскопления галактик. Их размеры достигают десятков миллионов парсек. В еще больших масштабах (сотни мегапарсек) вещество во Вселенной распределено однородно.

Эйнштейн построил на основе своей теории космологическую модель статичной Вселенной. Исходной гипотезой было предположение о том, что Вселенная однородна и изотропна.

В 1922 г. А.А. Фридман доказал, что статичный мир Эйнштейна всего лишь частный случай решения уравнений ОТО. В общем же случае эти уравнения приводят не к статичным моделям, а к моделям, зависящим от времени. Однородная и изотропная Вселенная должна эволюционировать, т.е. непрерывно изменяться со временем.

В конце 20-х гг. Э. Хаббл установил, что галактики удаляются друг от друга. Это означает, что Вселенная расширяется.

Будет ли расширение Вселенной неограниченно продолжаться в будущем? Расширение тормозится силами тяготения. Тяготение определяется средней плотностью вещества во Вселенной. Критическое значение плотности, при котором расширение в будущем сменится сжатием, равно . Средняя плотность по данным наблюдений ниже критической раз в десять. Следовательно, Вселенная должна расширяться все время.

Однако во Вселенной, возможно, имеется много невидимого вещества, и средняя плотность может быть близка критической.

Поскольку наблюдения показывают, что галактики удаляются друг от друга, значит, в прошлом они были расположены теснее, а еще ранее не могло быть отдельных галактик и вообще отдельных небесных тел. Вещество было распределено почти равномерно, а плотность его была очень большой. Вселенная начала расширяться млрд. лет назад. При этом центра расширения не было. Все точки во Вселенной равноправны. Что было до начала расширения Вселенной, пока до конца не выяснено, так как при очень больших плотностях материи вступают в действие еще не известные нам законы природы.

В настоящее время большинство исследователей считают, что в начале расширения Вселенной материя была очень плотной и очень горячей – теория горячей Вселенной. Согласно этой теории Вселенная напоминала гигантский ускоритель «элементарных» частиц. Началом работы этого ускорителя частиц был Большой Взрыв, следствием которого является наблюдаемый в настоящий момент разлет галактик и их скоплений. В отличие от обычного взрыва астрономический взрыв произошел сразу во всем существовавшем тогда пространстве. Пока мало что известно о том, что происходило в первую секунду после начала расширения и еще меньше о том, что было до начала расширения. Общая схема последующей эволюции Вселенной представляется следующим образом: эра адронов длилась примерно от Атомов не было, но существовали нуклоны (протоны и нейтроны), мюоны, электроны и нейтрино различных типов (электронные, мюонные, тау-нейтрино), а также античастицы и электромагнитное излучение (фотоны), которое находилось в термодинамическом равновесии с веществом. Число частиц и античастиц вещества в единице объема было равно числу находящихся там же фотонов.

Главным событием адронной эры был процесс аннигиляции нуклонов и антинуклонов (адронов). Нуклонов было несколько больше, чем антинуклонов, поэтому часть вещества осталась в качестве строительного материала для ядер будущих атомов.

Эра лептонов длилась примерно от Температура уменьшилась до K, а плотность стала равной Лептоны аннигилировали: мюон-антимюон, электрон-позитрон с образованием нейтрино. В результате, качественно изменился состав плазмы и приобрели самостоятельность нейтрино, которые с этого момента перестали участвовать во взаимодействиях. После аннигиляции тяжелых частиц их энергия перешла к более легким частицам и тратилась на нагрев излучения, а после аннигиляции легких частиц освободившаяся энергия стала расходоваться в основном на повышение температуры излучения. В конце лептонной эры произошло образование ядер гелия путем слияния протонов и нейтронов, которых стало около 25%, остальная плазма (75%) состояла из ядер водорода.

Эра радиации длилась от t=10 с до примерно 300 000 лет. К концу этой эры плотность стала равной а температура уменьшилась до 3000K. Одно из важнейших событий – отрыв излучения от вещества: присоединение электронов к протонам стало преобладать над отрывом электронов от протонов. В результате среда стала прозрачной для излучения.

Эра вещества длится до сих пор. После отрыва излучения от вещества наша Вселенная довольно спокойно расширялась, а главные события, происходившие в ней, были связаны с рождением галактик, звезд и планет.

Возраст Солнечной системы около 4,6 млрд. лет. Возраст самых старых звезд близок возрасту нашей и других галактик – 10–15 млрд. лет. В прошлом далекие внегалактические радиоисточники излучали больше, чем сейчас. Распространенность химических элементов близка к соотношению, которое возникло во времена первичного термоядерного синтеза, но главным подтверждением теории «горячей Вселенной» считается открытие реликтового излучения. После «отрыва» излучения от вещества и последующего расширения Вселенной температура излучения падала, но его характер (спектр) сохранился до наших дней, напоминая о далекой молодости Метагалактики. Вот поэтому астрофизик И.С. Шкловский предложил назвать это излучение реликтовым. А. Пензиас и Р. Вильсон получили в 1978 году Нобелевскую премию за открытие этого излучения (1965).

Не все ученые согласны с идеей Большого Взрыва. К их числу относятся такие известные астрофизики, как Х. Альвен (Швеция), Д. Нарликар (Индия) и др. Со времен Коперника люди стали понимать, что наша планета и ее обитатели не занимают какого-либо привилегированного положения в Солнечной системе, Галактике и Метагалактике. Однако мы обитаем в наиболее удобной для этого области Солнечной системы и Галактики, а фундаментальные свойства Вселенной удивительно «подстроены» под тот жесткий набор требований, без которого не могли бы возникнуть ни галактики, ни звезды, ни планеты, ни жизнь и разум во Вселенной.