Добро
пожаловать на наш сайт!
ПОЗНАНИЕ
ПРОДОЛЖАЕТСЯ...
24.04.2019 21:24 дата обновления страницы
Мир небесных тел. ЗЕМЛЯ
Дата создания сайта:
08/12/2012
Дата создания
сайта: 08/12/2012 Дата обновления главной страницы:
24.04.2019 21:24
icq:
613603564
Вселенная
вчера, сегодня и завтра
О том, что
Вселенная бесконечна, люди догадывались уже давно. Ученые древности
приводили убедительный, как им казалось, пример. Человек шел, шел и
дошел до края Вселенной. Потом он вытянул руку и оказался за ее
пределами. Но так как сам человек принадлежит Вселенной, значит, ее
границы расширились на длину его вытянутой руки. Сделав еще шаг и
достигнув новой границы, он снова может повторить эту операцию. И так
сколько угодно. Значит, Вселенная безгранична.
Конечно, строго научным это доказательство назвать нельзя. Мы привели
его здесь только для того, чтобы показать, что людей всегда
интересовало: а что же дальше? Что находится за вытянутой рукой, за
рекой и морем, за самой дальней звездой, за самой далекой галактикой?
Мы сегодня еще не знаем ответов на многие из таких вопросов. Но наука,
объясняющая Вселенную, - космология - уже накопила множество фактов. Они
позволяют ученым строить предположения и гипотезы, ставить новые
вопросы.
В 1965 г. было сделано открытие, значение которого для космологии очень
велико.
Но прежде чем рассказать об этом открытии, нужна одна оговорка. Мы будем
часто употреблять слово "Вселенная". Под этим надо понимать, конечно, не
всю безграничную в пространстве и времени Вселенную, а только ту ее
часть, которая доступна сегодня нашим методам научного исследования.
Часто ее называют Метагалактикой. Конечно, границы Метагалактики будут
раздвигаться с развитием науки, и мы все больше и больше будем узнавать
о необъятной Вселенной в целом.
Так вот, в 1965 г. два американских ученых исследовали радиопомехи на
длине волны 7,3 см. Нужно было создать систему радиосвязи с
искусственными спутниками именно на такой длине волны, а для этого
необходимо знать, какие могут быть помехи.
Радиошумов на этой волне оказалось много. Но ученые знали, откуда многие
из них берутся. Вот радиоизлучение Солнца - могли они сказать, - а это
радиоизлучение такой-то звезды или галактики. Вот излучение самой Земли,
ее многочисленных радиостанций. В общем, все эти шумы можно учесть и
выяснить их происхождение.
Но приборы регистрировали еще один, совершенно непонятный радиошум,
избавиться от которого оказалось невозможно. Он шел ниоткуда и отовсюду,
был, как говорят, изотропным, т. е. одинаковым по всем направлениям.
Величина его тоже все время была постоянной.
За год до этого советские ученые И. Д. Новиков и А. Г. Дорошкевич
подсчитали, какое радиоизлучение могут дать все радиозвезды и
радиогалактики. У них получилась кривая, показанная на странице 15.
Левый подъем этой кривой - радиоизлучение галактик, правый подъем -
радиоизлучение звезд. Советские физики заявили, что было бы очень важно
исследовать радиоизлучение в той части кривой, где у них получился
"провал" - минимум, т. е. в диапазоне от ОД см до 30 см. Именно в этот
диапазон и попал радиошум, открытый американцами. Вторая кривая
построена уже с учетом этого открытия. Вы видите, что величина,
интенсивность этого радиоизлучения на несколько порядков больше, чем
излучение звезд и галактик. Только трудностями приема на этой волне
можно объяснить, что его не открыли раньше.
Итак, радиошум этот, повторяем, был очень странным. Во-первых, его
нельзя было "привязать" ни к одному объекту, т. е. точно указать, где
источник излучения. Во-вторых, он не изменяется со временем - не слабеет
и не усиливается. В-третьих, интенсивность его настолько велика, что
ничем нельзя объяснить это явление. Оставалось предположить только одно
- излучение имеет внегалактическое происхождение. Оно не связано ни с
одним видимым или невидимым объектом, существует самостоятельно и
принадлежит самой Вселенной. Оно осталось нам в наследство от
невообразимо далеких эпох нашей Вселенной, когда не было не только
Земли, :го и звезд и галактик. Открытое радиоизлучение так и назвали -
реликтовым (реликт - явление, сохранившееся как остаток далекого
прошлого).
Радиотелескоп, с помощью которого было открыто реликтовое
радиоизлучение
А теперь вернемся лет на пятьдесят назад. В 1917 г. гениальный создатель
общей теории относительности А. Эйнштейн попытался применить свою теорию
к космологии. Чтобы решить задачу, Эйнштейн сделал одно предположение -
Вселенная не изменяется со временем, она одна и та же всегда, вечно.
Тогда такое утверждение казалось настолько естественным, что никому и в
голову не приходило, что может быть иначе. К этому добавляли еще
требование, чтобы Вселенная была однородной и обладала одинаковыми
свойствами по всем направлениям. Эти три принципа - постоянство во
времени, однородность и изотропность - назвали даже "совершенным
космологическим принципом".
Первый сокрушительный удар этой теории нанес советский математик А. А.
Фридман. В 1922 г. он предсказал, что мир не может находиться в покое.
По его теории, он должен либо расширяться, либо сжиматься. А в 1929 г.
гипотеза Фридмана была подтверждена экспериментально. Американский
астроном Э. Хаббл заметил, что в спектре далеких галактик все линии
смещены в красную сторону. Это явление хорошо объяснялось с помощью
эффекта Доплера. Помните? Если источник света движется относительно
наблюдателя, то для этого наблюдателя длина волны (частота) изменяется.
Причем если источник удаляется, свет "краснеет", а если приближается-
"синеет".
Специалисты, занимающиеся спектроскопией, только взглянув на фотографию
спектра, сразу скажут - вот линия железа, а это, скажем, линия кальция.
И вдруг оказывается, что в спектре далеких галактик хорошо знакомые
линии не на месте. Причем это относится к любой выбранной линии.
Взгляните на фотографию (стр. 15). Слева- "фотопортреты" галактик,
справа - их спектрограммы. Спектр самой галактики - темная полоса в
середине. Сверху и снизу впечатан спектр сравнения, полученный в
лаборатории. Начало стрелки указывает на положение нормальной,
лабораторной линии (здесь - это линия кальция). А конец стрелки
показывает, куда сместилась эта линия из-за того, что галактика
движется.
Все галактики, которые наблюдал Хаббл, имели красное смещение. Значит,
следовал вывод, все они удаляются от нас. Именно это и утверждал
Фридман! (Не нужно, конечно, думать, что Земля - центр этого расширения.
Если надувать мыльный пузырь, каждая точка на его поверхности будет
центром расширения.)
Итак, открытие красного смещения целиком подтвердило гипотезу советского
ученого - Вселенная расширяется. Но это одновременно означает, что
когда-то она была более "тесной" и плотной. А еще раньше?
Открытие внегалактического радиоизлучения, о котором мы говорили в
начале статьи, помогает ответить на этот вопрос. Была высказана
гипотеза, что в момент самого начала расширения (около десяти миллиардов
лет назад) Вселенная представляла собой необычайно горячий и плотный
сгусток. Плотность его была намного больше плотности вещества,
состоящего только из атомных ядер, а температура - число с десятками
нулей.
Из чего же состоял этот сгусток? Вещества в обычном понимании не было -
была однородная очень горячая "каша" (плазма) из элементарных частиц,
пронизанная световым излучением. Ведь при такой громадной температуре
любое образование из элементарных частиц, скажем атомное ядро,
моментально развалилось бы.
Интенсивность излучения радиозвезд и радиогалактик
Начинается расширение. При расширении "растягивается", увеличивается
любое расстояние (вспомните пример с мыльным пузырем). Увеличивается и
длина волны квантов света. А она, как известно, обратно пропорциональна
энергии кванта (чем "короче" квант, тем он "мощнее", и наоборот).
Спектры галактик
Следовательно, энергия
квантов при расширении уменьшается. А это значит, что температура плазмы
уменьшается тоже. Вселенная остывает. Ученые подсчитали, что в момент
времени, равный одной секунде после начала расширения, температура была
десять миллиардов градусов. При такой температуре и громадной плотности
существуют только кванты света (излучение) и пары легких частиц и
античастиц - электронов и позитронов, нейтрино и антинейтрино, т. е. в
каком- то смысле "вещество". Есть также протоны и нейтроны, но их очень
мало - в тысячу миллионов раз меньше, чем квантов света. Более тяжелые
частицы (а в момент начала расширения существовали все известные и
неизвестные нам частицы - об этом см. ниже) уже исчезли. Вещество и
излучение находятся в тепловом равновесии - их температуры одинаковы.
Продолжающееся расширение изменяет эту картину. Уменьшается плотность,
уменьшается и температура. В период от одной до ста секунд начинают
исчезать (аннигилировать) позитроны и электроны. Раньше было так "тесно"
в этом сгустке, кванты и частицы сталкивались так часто, что сколько
позитронов и электронов "умирало", столько же их и "рождалось" в
результате этих столкновений. А теперь стало "попросторнее", температура
(а значит, и энергия) поменьше. Меньше стало и случаев "рождения" пар.
Кванты остаются, их число не меняется и в дальнейшем. Количество
нейтрино и антинейтрино тоже сохраняется. Ведь они носятся со скоростью
света и встречаются друг с другом очень редко. Но их энергия все же
уменьшается, они "остывают", так же как и кванты света.
Так образовывались первые химические элементы.
С протонами и нейтронами происходит следующее. Нейтроны соединяются с
протонами и образуют ядра тяжелого водорода - дейтерия. А дейтерий в
свою очередь превращается в гелий. Расчеты показывают, что в результате
этих реакций должно было получиться по весу 70% водорода (протонов) и
30% гелия. Все остальные, более тяжелые элементы образовывались гораздо
позже, когда уже возникли звезды. Изучение распространенности химических
элементов во Вселенной пока подтверждает эти выводы. Мы живем, таким
образом, в водородно-гелиевой Вселенной.
Итак, закончился второй период развития Вселенной. Его называют периодом
ядерных реакций. А расширение продолжается по-прежнему. Следующие три
миллиона лет после периода ядерных реакций ничего особенно не меняют.
Плотность уменьшается, температура падает. И все равно квантов так
много, они еще так "горячи", что плотность излучения больше, чем
плотность обычного вещества. (Пусть вас не смущает выражение "плотность
излучения". Во-первых, вы знаете, что свет давит. А во-вторых, вам,
вероятно, знакома знаменитая формула Эйнштейна
Е=mc2. Согласно этой формуле теории
относительности, энергии соответствует определенная масса. Так,
например, при температуре в миллиард градусов в одном кубическом
сантиметре содержится 10 г излучения.) Само вещество (водород и гелий)
находится в ионизированном состоянии, так как при такой температуре
электроны моментально "сдираются" с атомных Оболочек. Существуют
перемешанные в одной "каше", но свободно движущиеся, не связанные друг с
другом электроны и атомные ядра водорода (протоны) и гелия
(альфа-частицы). Никаких образований, похожих на звезды, не существует:
излучение "расталкивает" вещество, не дает ему собраться под действием
сил тяготения. Вещество и излучение имеют, несмотря на продолжающееся
расширение, пока одинаковую температуру, находятся в тепловом
равновесии.
И только по прошествии трех миллионов лет это равновесие нарушается. В
это время температура падает до 3,5 тыс. градусов, и становится
достаточно "прохладно", чтобы ядра атома водорода - основного элемента
Вселенной - захватывали электроны и вещество становилось нейтральным.
Только теперь может начаться образование звезд и галактик. Но первые
небесные тела, которые очень сильно отличались от нынешних, возникли,
по-видимому, еще позже. Советский физик академик Я. Б. Зельдович назвал
их празвездами. Их возникновение, процессы развития остаются для нас
пока еще неизвестными. Как ни удивительно, но мы лучше знаем, что
происходило с нашей Вселенной через несколько секунд после начала
расширения, чем несколько миллионов лет спустя.
Вернемся к празвездам. Можно предположить, что происходит примерно
следующее. При их образовании выделяется колоссальная энергия, которая
снова нагревает вокруг них уже успевшее остыть до 0,4° абсолютной
температуры вещество. И нагревает сильно - до ста тысяч градусов. А
излучение имеет в это время температуру всего около 40° К. (На
сегодняшний день температура излучения 3° К, а еще через десять
миллиардов лет она упадет до 2° К.) Но при ста тысячах градусов вещество
снова ионизируется, и процесс его конденсации в звезды и галактики не
может продолжаться. Возможно, часть вещества
так и осталась до сих пор в виде горячего ионизированного
межгалактического газа. Еще недавно предполагали, что плотность
межгалактического газа может быть гораздо больше плотности вещества,
содержащегося в звездах и галактиках (конечно, в том случае, если это
вещество равномерно распределить по тому же объему, который занимает
межгалактический газ).
Три варианта модели Вселенной: 1- "открытая", 2- "закрытая", 3-
"циклическая"
Однако недавно молодой советский
астрофизик Р. А. Сюняев показал, что, вероятнее всего, если
межгалактический газ и существует, то в нем вещества не больше, чем в
галактиках.
Вопрос о плотности вещества во Вселенной крайне важен. Расширение
Вселенной, как мы уже сказали, является фактом. Но что из этого следует?
Что будет дальше и что было до начала расширения? Есть несколько
вариантов. Первый - расширение когда-то началось и никогда не кончится.
Это так называемая фридмановская открытая модель Вселенной. Второй
вариант - расширение замедляется, силы тяготения не даютему продолжаться вечно, оно сменится сжатием. Это - закрытая
модель. И третий случай - следующие друг за другом циклы сжатие -
расширение (по подсчетам ученых, радиус таких циклов должен возрастать
со временем).
Тот факт, что сейчас происходит расширение, не позволяет выбрать
какой-нибудь из перечисленных вариантов, как бы он нам ни нравился. Мы
сможем сделать выбор модели, если рассчитаем, какова сейчас средняя
плотность вещества во Вселенной во всех его формах. Если она больше
некоторой определенной плотности (ее называют критической плотностью, и,
по современным данным, она равна 2,1х10-29 г/см3), то
осуществляется закрытая модель или циклическая (пульсирующая, как ее еще
называют). Если современная плотность меньше критической, расширение
будет продолжаться вечно, осуществляется открытая модель. Вот почему
изучение всех форм вещества во Вселенной так важно. А работы здесь
предстоит много. Ведь мы не знаем не только плотности межгалактического
газа, но и плотности нейтрального водорода. И это несмотря на то, что мы
живем в "водородной" Вселенной (вспомните - 70% водорода!). Больше того,
мы не можем быть уверены, что вообще знаем все формы существования
вещества. Не исключено также, что нейтрино, которые ученые еще не
научились "взвешивать", как раз и являются главной весовой частью
Вселенной. А гравитационные волны? А сжавшиеся до такой плотности, что
их гравитационное поле уже не выпускает свет, и, следовательно,
невидимые (так называемые сколлапсировавшие) звезды и галактики?
Но что говорить о еще не открытых формах существования материи! Ведь,
как мы сказали, мы пока еще не можем определить плотность
межгалактического газа. Вдруг она уже больше, чем критическая плотность?
Вот почему совсем недавно открытые объекты - квазары (см. ст. "В мире
галактик" и "У порога неведомого") вызвали большой интерес. Квазары
находятся от нас так далеко, что свет от них, который мы видим сейчас,
начал свой путь миллиарды лет назад. Поэтому квазары (как и реликтовое
радиоизлучение) дают нам информацию о самых ранних этапах эволюции
Вселенной. Изучая поглощение света в слое нейтрального водорода,
расположенного между квазаром и земным наблюдателем, можно судить о
плотности водорода. Пока известно, что эта плотность по крайней мере в
миллионы раз меньше критической. (Это не противоречит сделанному выше
заявлению, что мы не знаем плотности нейтрального водорода. Мы ее
действительно не знаем, а число, приводимое здесь, - это лишь верхняя
граница.) Это кажется странным: водорода так много - 70%. а плотность
нейтрального водорода такая маленькая. Но, может быть, все дело в том,
что мало именно нейтрального водорода? Может быть, он почти весь нагрет,
ионизирован? Ведь его должны нагревать взрывы звезд и галактик,
происходившие раньше, происходящие и сейчас. Видите, сколько вопросов -
и только по поводу одного межгалактического газа.
Некоторые ученые считают, что основной вклад (до 95%) в плотность
вещества во Вселенной дают неуловимые нейтрино. Проверить эту гипотезу в
ближайшее время, видимо, не удастся. Ведь нейтрино действительно
неуловимы. Практически они не взаимодействуют с веществом, пролетая
громадные его толщи без единого столкновения. Физики сумели - и то
совсем недавно - зарегистрировать несколько нейтрино, рожденных
космическими лучами в атмосфере Земли. Но это стало возможным лишь
потому, что их энергия достаточно велика. Что же говорить о реликтовых
нейтрино, которые успели сильно остыть, т. е. уменьшить свою энергию? А
игра стоит свеч - ведь если мы научимся ловить нейтрино, то получим
ценнейшую информацию о самых ранних этапах развития Вселенной. С помощью
нейтрино мы сможем заглянуть гораздо глубже, чем с помощью реликтового
радиоизлучения. И вот почему. Те радиокванты, которые попали на
радиотелескоп американских ученых, не являются самыми "первыми". Скорее
всего, это их потомки. Дело происходило так. Когда плотность и
температура плазмы были велики, квантам было очень "тесно". Они
взаимодействовали с другими частицами плазмы, "рождались" и "умирали".
Через триста миллионов лет, когда плотность из-за расширения стала очень
маленькой, вещество стало нейтральным и проницаемым для излучения,
квантам стало свободно, им не с чем уже было сталкиваться. Именно эти
кванты мы можем сейчас поймать. Так как они родились поздно, они не
"знают" ранней истории Вселенной. А нейтрино "знают", ведь они
практически с самого начала расширения ни с чем не взаимодействовали.
Мы начали счет времени нашей Вселенной с одной секунды после начала
расширения. А что было до этого - от нуля до одной секунды? "Нулем"
условно назван момент начала расширения.
Чем ближе мы (двигаясь назад) к нулевому моменту, тем больше температура
и плотность. В нашей "каше" из излучения и частиц очень много тяжелых
частиц и античастиц. Ученые всего мира разыскивают сейчас частицы под
названием "кварки". Кварки родились и существуют пока на бумаге
теоретиков, но не исключено, что они есть на самом деле. В мире
элементарных частиц это великаны. .Их масса в несколько раз больше
массы, скажем, протона. Так вот, был момент, когда кварков (повторяем,
если они, конечно, есть) было очень заметное количество. Даже к
сегодняшнему дню кварков во Вселенной должно остаться больше, чем золота
или радия.
Состояние Вселенной до нулевого момента зеркально копирует
состояние после этого момента. Античастицы, существовавшие "до",
сливаются в максиомы, которые "после" распадаются на частицы с
противоположным знаком.
Ну и, конечно, самый
трудный вопрос - а что же было до нулевого момента? Что дало первый
толчок плотному огненному клубку? Мы еще не знаем ответа на эти вопросы,
но это будет исследовано. Пока наука отвечает лишь предположительно.
Вспомним, что мы говорили о Метагалактике. Ведь наши выводы относятся
именно к ней, а не ко всей Вселенной. Сам же факт толчка, "взрыва" не
вызывает сейчас особых сомнений. Мы знаем, что такие взрывы происходят и
в настоящее время - в галактиках и их скоплениях. Это было доказано
работами известного советского ученого академика В. А. Амбарцумяна.
Во-вторых, ведь мы еще не знаем, какой вариант осуществляется - открытый
или закрытый. В-третьих, при плотности и температуре выше некоторых
значений известные нам законы современной физики уже недействительны.
Найти новые - задача будущего. Но гипотезы о том, что происходило в
"начале", в "особой" точке, уже выдвигаются. Например, советский физик
академик А. Д. Сахаров считает, что состояние Вселенной до нулевого
момента зеркально копирует состояние после этого момента, но с заменой
всех частиц на античастицы и с заменой направления течения всех
процессов на обратное. Если предположить, что существуют некие
сверхтяжелые нейтральные частицы - максимоны (их придумал другой
советский ученый, академик М. А. Марков), то все происходит следующим
образом. Античастицы, существующие до нулевого момента, сливаются в
максимоны, которые после нуля распадаются на частицы. В особой же точке
максимоны как-то проходят друг через друга без всякого взаимодействия.
Конечно, это пока только гипотеза.
К числу гипотез относится и предположение о неодинаковости расширения
Вселенной после начального момента. Все реликтовые частицы, как мы уже
сказали, очень "остыли". Но, может быть, еще сохранились и "горячие" -
их тогда легче было бы поймать. Не исключено также, что Вселенная в
первое время была похожа на огурец. Расширение шло "вкривь" и "вкось"
(правда, потом оно стало одинаковым). Более того, по некоторым
направлениям могло происходить даже сжатие. Это означает, например, что
нейтрино, двигавшиеся в таких направлениях, имели бы не красное, а синее
смещение, а значит, и энергию выше средней. Проверить эту гипотезу пока
еще также трудно.
В этой статье мы часто употребляли сослагательное наклонение. Это и
понятно - ведь речь шла о Вселенной, познание которой никогда не
закончится. Чем больше мы узнаем о ней, тем больше возникнет новых
вопросов. Их придется решать нашим потомкам. Несмотря на достигнутые
космологией успехи, проникновение в тайну мироздания только начинается.
И.Г. Вирко.
Размещение фотографий и
цитирование статей с нашего сайта на других ресурсах разрешается при
условии указания ссылки на первоисточник и фотографии.
