Морозов Александр Гавриилович (moralg) wrote in otrageniya,
Морозов Александр Гавриилович
moralg
otrageniya

Большой взрыв, эволюция Вселенной и Темные сущности.

      Этот пост - конспект девятого (и последнего) занятия по программе краткого курса астрофизики для средней школы. Он содержит описание закона расширения Вселенной (Хаббл), оценки ее возраста, сущности и эволюции реликтового излучения и гипотезы Большого взрыва. В дополнение к чему обсуждается гипотеза темной материи и темной энергии и доводы за и против их существования.


      1. Красное смещение, расширение и возраст Вселенной.
      В начале прошлого века было обнаружено смещение спектральных линий химических элементов во многих галактиках в красную часть спектра. Причем для большиства галактик соблюдалась закономерностть - красное смещение галактики тем больше, чем меньше ее наблюдаемая звездная величина и чем меньшую площадь занимает она на небосводе. Естественно, возникло подозрение о разбегании галактик от нас, как наблюдателей. Прогрессирующем с увеличением расстояния от нас.

      Измерение расстояний до галактик в те времена проводилось в основном по переменным звездам, для которых была хорошо известна связь между их абсолютной светимостью и периодом из переменности (цефеиды). В результате стало ясно, что красное смещение спектров галактик обусловлено эффектом Допплера. Другими словами - достаточно удаленные галактики "убегают" от нас. С тем большей скоростью, чем дальше они от нас.

      Это разбегание галактик описывается закономерностью, предложенной Хабблом:

                                                              V = H * R,

где V - скорость удаления галактики от нас (км/сек), H - постоянная Хаббла (км/сек/Мпк ~ 1/сек), R - расстояние до галактики (Мпк), один Мпк (мегапарсек) = 3,26 млн. св. лет. По последним наблюдательным данным Н = 72 км/сек/Мпк с погрешностью не более чем  плюс-минус 3 км/сек/Мпк.

      Если эту закономерность применить к ближайшей к нам крупной галактике - туманности Андромеды, удаленной от нас на ~ 0,7 Мпк, то она должна будет удаляться от нас со скоростью ~ 50 км/сек. На самом деле она приближается к нашей Галактике со скоростью чуть больше 100 км/сек. Это объясняется тем, что в группах и скоплениях галактик хаотические скорости последних должны быть не меньше нескольких сотен км/сек с тем, чтобы противостоять гравитационному самосжатию групп и скоплений. Поэтому установленная Хабблом закономерность удовлетворительно начинает работать для галактик, удаленных от нас на два-три десятка мегапарсек (60-100 млн. св. лет). И чем дальше от нас наблюдаемая галактика, тем с большей точностью выполняется закон Хаббла.

      Если предположить, что постоянная Хаббла не изменяется заметно со временем, то из линейной экстрапляции закона Хаббла в прошлое следует, что был момент времени, когда плотность материи во Вселенной была бесконечной. Другими словами, имело место рождение Вселенной . Легко видеть, что размерность постоянной Хаббла есть [1/сек]. Естественно предположить, что момент рождения Вселенной отстоит в прошлое от нашего времени на величину Т ~ 1 / Н. И если перевести мегапарсеки в километры (1 Мпк = 3,1 * 10**19 км), а секунды в года (1 год = 3,15 * 10**7 секунд), то нетрудно видеть, что Т ~ 1 / Н ~ 13,7 млрд. лет. Это и должно быть оценкой возраста Вселенной в первом приближении. И, действительно, по современным представлением возрастом Вселенной считается 13,8 млрд. лет с погрешностью порядка 20 млн лет.

      2. Реликтовое излучение.
      Вселенную помимо наблюдаемого вещества заполняет еще и электромагнитное излучение. Спектр его (распределение энергии излучения по длинам волн) тепловой и соответствует температуре ~ 2,72 градуса Кельвина (максимум интенсивности на длине волны около 1,9 миллиметра). Поскольку вглубь времен Вселенная была заметно плотнее, температура этого излучения в прошлом должна быть заметно выше. И чем глубже в прошлое, тем выше была бы эта температура.

      Расчеты показывают, что примерно 380 тысяч лет с предполагаемого момента рождения Вселенной температура этого излучения была такой, что энергия большей части его фотонов была достаточна для ионизации атомов водорода. Из чего следует, что еще ближе к моменту рождения Вселенной она представляла из себя смесь протонов, нейтронов, электронов и фотонов с малой примесью альфа-частиц (ядер гелия). А нейтральных атомов водорода и гелия практически не было. Как не было и атомов других элементов таблицы Менделеева.

      По описанным выше причинам это излучение, практически однородно и изотропно заполняющее ныне Вселенную, называют реликтовым.

      3. Гипотеза Большого взрыва.
      С учетом изложенного выше мы понимаем, что чем ближе к моменту рождения Вселенной, тем выше энергия заполняющих ее частиц. Другими словами - тем выше температура заполняющего ее вещества. И если в эпоху до ~ 380 тысяч лет с момента рождения Вселенной заполняющее ее вещество уже представляло собой плазму практически без нейтральных атомов, то чем ближе к моменту рождения Вселенной, тем выше была температура этой плазмы.

      Расчеты показывают, что при приближении к моменту ~ 0,01 сек от рождения Вселенной температура этой плазмы (энергия составляющих ее частиц) достигала величин, сопоставимых с энергией связи кварков в протонах и нейтронах. Откуда следует, что в "эпоху" более близкую к моменту рождения Вселенной последняя представляла из себя чрезвычайно плотную и горячую кварк-глюонную кашу.

      Более близкие к моменту рождения Вселенной "эпохи" мы обсуждать не будем. Поскольку однозначно заслуживающих доверие теорий об этих "эпохах" нет. Да и экспериментально или в наблюдениях существующие теории проверить невозможно.

      В целом описанную выше часть эволюции Вселенной принято называть Большим взрывом.

      4. Гипотеза темных материи и энергии.
      На предыдущем занятии мы уже обсуждали сформулированную еще в 1930-х проблему скрытой массы. Состоящую в том, что наблюдаемого астрономами вещества в галактиках и их скоплениях явно не достаточно для объяснения наблюдаемых скоростей движения звезд и газа в тех же галактиках и их скоплениях.

      Несмотря на некоторый прогресс в решении этой проблемы (учет масс горячих и холодных облаков газа, масс звезд, излучающих в основном в частях спектра. для которых земная атмосфера непрозрачна, оценку масс разного типа черных дыр и других факторов) однозначного решения этой проблемы пока не произошло. И в ближайшем будущем вряд ли произойдет. В этих условиях в 1980-х проблема скрытой массы была переформулирована в гипотезу о существовании во Вселенной неких темной материи и темной энергии (ТМ и ТЭ).

      За прошедшее после рождения этой гипотезы время никаких конкретных результатов в обнаружении ТМ и ТЭ не было получено. Хотя обосновывающих существование ТМ и ТЭ гипотез и теорий создано было не мало. Для проверки которых было проведено и множество экспериментов и наблюдений. Вплоть до экспериментов по поиску разного типа частиц, практически не взаимодействующих с обычным веществом (так называемых ВИМПов).

     Честно признаться, к идее существования ТМ и ТЭ я отношусь с большим скепсисом. Ибо история с ними напоминает мне историю со светоносным эфиром. Придуманном еще в начале 18-го века. В те времена любые волны по понятиям тогдашних физиков обязательно должны были распространяться в некоей субстанции, а не в вакууме. И, следовательно, измеряемая наблюдателем скорость света, как электромагнитной волны, должна зависеть от того, с какой скоростью этот наблюдатель движется относительно такой субстанции - светоносного эфира.

      К концу 1880-х техника эксперимента уже позволяла определить известную по другим измерениям разность скоростей Земли относительно светоносного эфира на противоположных точках диаметра ее орбиты вокруг Солнца (она ~ 60 км/сек). И начиная с опыта Майкельсона-Морли (1887) эксперименты с увеличивающейся год от года точностью показывали что скорость света не зависит от скорости движения наблюдателя относительно светоносного эфира. Так физики избавились от умопомрачения придуманной ими же избыточной сущностью - светоносным эфиром. О чем их предупреждал еще средневековый монах-философ Оккам (бритва Оккама).

      История с идеей ТМ и ТЭ скоро не не закончится. И как она закончится - пока не ясно. Но с борьбой идей, концепций и доказательств данными наблюдений существования или не существования ТМ и ТЭ вы можете подробно ознакомиться в постах в моем блоге по метке "Темная материя" (их там порядка десятка).

Tags: moralg, Загадки мироздания
Subscribe
promo otrageniya декабрь 1, 11:52 124
Buy for 300 tokens
Что бы мы делали без наших мам и бабушек?! Вот ведь верно говорят, пока живы родители, ты еще ребенок. Но даже ушедшие они все еще берегут твое детство, сохраняют тебя для тебя же, самим собой уже давно забытого. И тихо посылают тебе напоминания, маленькие якоря…
  • Post a new comment

    Error

    default userpic

    Your reply will be screened

    Your IP address will be recorded 

    When you submit the form an invisible reCAPTCHA check will be performed.
    You must follow the Privacy Policy and Google Terms of use.
  • 45 comments