Открытие расширения Вселенной
ЛЕКЦИЯ 8
Космологическая эволюция
Научная физическая космология возникла в ХХ веке. А. Эйнштейном была создана релятивистская теория тяготения (общая теория относительности). Поэтому релятивистская космология сформировалась на основе идей и принципов общей теории относительности, на первом этапе она уделяла главное внимание геометрии Вселенной, в частности, кривизне четырехмерного пространства.
Космологические модели Вселенной
Эйнштейн считал, что надо строить статическую (не меняющуюся со временем) модель Вселенной. В этой модели Вселенная не эволюционирует. Хотя уравнения общей теории относительности не давали таких статических решений.
Идея статической Вселенной возникла еще в древности и казалась привлекательной, т. к. питалась фактом видимой стационарности, неизменности астрологических тел и систем. В настоящее время установлена эволюция всех тех небесных тел и систем небесных тел, где раньше видели только неизменное свечение или постоянное движение по круговым орбитам. Эволюция заключена уже в радиоактивном распаде. Если бы Земля существовала вечно, то все радиоактивные вещества давно бы распались. Значит, с момента образования Земли прошло конечное время.
Установлен и факт эволюции Солнца и звезд. Сегодня наблюдают бурные процессы взрывов и эволюции в таких гигантских системах, какими являются галактики. Вещество, входящее в галактики, постепенно перерабатывается в ядерных процессах, идущих в звездах. Водород превращается в гелий, а затем и в более тяжелые химические элементы.
|
|
|
Началом современного этапа развития космологии являются работы советского ученого А.А. Фридмана, выполненные в 1922-1924 г. г. На основе теории Эйнштейна он построил математические модели движения вещества во всей Вселенной под действием сил тяготения. Доказал, что вещество Вселенной не может находиться в покое – Вселенная не может быть стационарной: она должна либо расширяться, либо сжиматься. Как следствие – плотность вещества должна либо уменьшаться, либо увеличиваться.
Эйнштейн построил статическую модель Вселенной ценой введения в свою теорию наряду с силами всемирного тяготения гипотетических сил космического отталкивания. Познакомившись с работой А.А. Фридмана, он посчитал ее ошибочной. Только после разъяснений А.А. Фридмана, переданных А. Эйнштейну, он полностью признал правильность выводов советского математика.
Установление закона расширения Вселенной – лишь установление механики Вселенной. Последующее изучение – это рассмотрение физических процессов, протекающих в ней. Состояние вещества сейчас очень сильно отличается от состояния, возникшего спустя некоторое время после «большого взрыва». Вселенная прошла огромный путь от сверхплотного сверхгорячего состояния, с бурными реакциями между элементарными частицами, до современного состояния, когда вещество распалось на гигантские системы небесных тел, возникли звезды, планеты и жизнь.
|
|
|
Предсказание теорией нестационарности Вселенной
Важнейшим в мире небесных тел является закон всемирного тяготения. На основе теории тяготения Ньютоном были сделаны предсказания существования спутника Сириуса и планеты Нептун. В настоящее время она является фундаментом в описании движения небесных тел. Однако в ряде случаев следует привлекать релятивистскую теорию тяготения (1916 г.).
Fа≈ Fв.
С помощью простых математических выкладок на основе закона тяготения можно показать, что сферически симметричная оболочка не создает никакого гравитационного поля во внутренней области
.
Здесь должны учесть, что вещество в масштабах Вселенной разделено равномерно. Тогда можно считать
(так как масса распределена на
|
|
|
поверхности сферы равномерно)
; 
; 
.
Следовательно, внутри сферы нет сил тяготения.
Последующие сферические оболочки также внутри полости не создают гравитационных полей. Можно вычислить ускорение одной галактики А по отношению к другой галактике О. Это ускорение обусловлено тяготением только вещества шара радиуса R
Знак минус означает, что ускорение соответствует притяжению, а не отталкиванию.
Вывод: любые две галактики, находящиеся в однородной Вселенной на расстоянии R, испытывают относительное ускорение. Это и означает, что Вселенная должна быть нестационарной. Галактики должны удаляться или сближаться, радиус R должен меняться со временем, плотность вещества должна также изменяться со временем.
Таким образом, Вселенная должна быть нестационарной,
т. к. в ней действует тяготение.
Открытие расширения Вселенной
Для далеких объектов, коими являются звездные системы, можно измерять скорость удаления или приближения, пользуясь эффектом Доплера. Согласно этому эффекту у приближающегося источника света все длины волн, измеренные наблюдателем, уменьшены, смещены к фиолетовому концу спектра, а для удаляющегося источника – увеличены, смещены к красному концу спектра. Величина смещения z
|
|
|
.
Формула справедлива, если объект движется со скоростью много меньше с. В случае 
формула усложняется.
Измеряя смещения спектральных линий в спектрах небесных тел, астрономы определяют их приближение или удаление. Скорости, определяемые по спектральным измерениям, носят название лучевых скоростей.
В начале века измерял лучевые скорости американский астрофизик Слайфер. Он обнаружил, что большинство галактик удаляется от нас и скорости удаления огромные: от 2-3 сотен до 1100 км/с. Линии в спектрах галактик были смещены к красному концу. Это явление получило название «красного смещения».
Расстояния до целого ряда галактик были определены американским астрономом Э.Хабблом. Сравнение расстояний до галактик со скоростями их удаления позволило Э. Хабблу установить в 1929 году закономерность:
V = H ∙ R ,
где Н – коэффициент, названный постоянной Хаббла. Установленное учеными значение Н ≈ 500 км/(с∙Мпк) (1 пк = 3 ∙1016 м). В настоящее время оказалось, что величина Н сильно завышена. На самом деле она в 10 раз меньше (точнее 75 км/(с∙Мпк) или 2,5 ∙10-18 с-1).
Нельзя считать, что именно от нас, от нашей галактики происходит разбегание других галактик, то есть, что мы находимся в центре Вселенной. Галактики удаляются не только от нашей галактики, но и друг от друга. Если бы мы находились в другой галактике, то видели бы точно такую же картину разбегания, как и из нашей звездной системы.
Расширение Вселенной меняется с течением времени. Выделим мысленно в однородном веществе Вселенной шар. Расширение управляется законом Всемирного тяготения. Ускорение (отрицательное, т. е. замедление), которое испытывают галактики на поверхности шара
.
Выразим массу шара М через плотность вещества 
и объем шара 
, тогда
.
Ускорение ~ расстоянию. Если пропорциональна расстоянию и скорость, и ее изменение, то значит, в моменты времени, следующие за настоящим, также сохранится пропорциональность скорости расстоянию. Расширение тормозится, раньше этот коэффициент был больше.
Время, протекшее с начала расширения, определяется только постоянной Хаббла и равно
Возможные неопределенности в значении Н приводят к неопределенности времени t
< t < 20∙109 лет.
Торможение определяется конечной плотностью во Вселенной. Величина средней плотности материи во Вселенной определена не точно. Легко учесть вещество, входящее в галактики. Если известны скорости этих движений и размеры галактик, то масса вычисляется на основе ньютоновской механики и закона тяготения. Зная число галактик в единице объема и их массы, можно вычислить среднюю плотность материи во Вселенной, входящей в галактики. Плотность этого вещества составляет примерно 
(в БСЭ 
, Н= 
).
Но в пространстве между галактиками может быть вещество, которое очень трудно обнаружить, так как оно практически не излучает и не поглощает света. Это, например, ионизованный газ между галактиками, слабо светящиеся или потухшие звезды, нейтрино-частицы, которые очень слабо взаимодействуют с другим веществом и их трудно обнаружить. Возможно также наличие гравитационных волн, предсказанных теорией Эйнштейна. Между галактиками есть и другие виды материй. Наиболее вероятные пределы – 5 ∙ 10-29 г/см3 ÷ 3 ∙ 10-31 г/см3.
Таким образом, 10 ÷ 20 миллиардов лет назад, вблизи момента начала расширения плотность вещества была значительно больше. (Возраст Земли, определяемый по радиоактивному распаду веществ, равен 5 ∙ 109 лет). Вся материя находилась в состоянии непрерывно распределенного однородного вещества. Позже, в ходе расширения, оно распалось на отдельные комки, что привело к образованию небесных тел.
Дата добавления: 2022-01-22; просмотров: 90; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!