Реферат: Расширяющаяся Вселенная и красное смещение

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.

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.

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

,

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]

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.

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]

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.

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 l_Н =1216 Ангстрем (1А=10^-10 м) наблюдается на длине волны l=4864 А, то красное смещение этой галактики . [8]