Автор работы: Пользователь скрыл имя, 08 Апреля 2010 в 16:16, Не определен
Для начала надо понять, что такое космология. Космология - физическое учение о Вселенной как целом, основанное на наблюдательных данных и теоретических выводах, относящихся к охваченной астрономическими наблюдениями части Вселенной. Теоретический фундамент Космологии составляют основные физические теории (теория тяготения, теория электромагнитного поля, квантовая теория и др.), эмпирические сведения предоставляются ей внегалактической астрономией, а ее выводы и обобщения имеют большое общенаучное и философское значение1.
Основы современной науки о космосе заложил Эйнштейн, создав в 1916 году теорию тяготения. Записав уравнения для равномерно заполненной звездами Вселенной, он получил решение, в котором кривизна пространства была такой, что оно «замыкалось» само на себя. Хотя границ у Вселенной не было, размеры её были конечны. Но в модели была одна трудность: притяжение звезд друг к другу должно было бы стянуть такую замкнутую Вселенную в точку. Поэтому Эйнштейну дополнил свои уравнения придуманным полем, которое должно было породить «антигравитационную» силу, способную уравновесить гравитацию и удержать Вселенную от сжатия.
От излучения звёзд, галактик и других астрономических источников реликтовое излучение отличается двумя важнейшими свойствами: угловой изотропией, т. е. одинаковой интенсивностью от всех участков неба, и планковской (равновесной) формой спектра. Для Космологии важен как сам факт существования фонового радиоизлучения, так и возможность исследования с его помощью физических процессов во Вселенной и её структуры.
Спектр реликтового излучения хорошо изучен в диапазоне длин волн от 3 мм до 21 см. Интенсивность реликтового излучения в этом диапазоне не зависит от направления на небесной сфере с точностью до десятой доли % (угловая изотропия излучения). Данные об угловой изотропии несколько различаются в зависимости от рассматриваемого углового масштаба. В мелких масштабах (от 3 до 150') существуют лишь ограничения на возможную анизотропию в виде неравенства dТ/Т < 10-4 (где dТ - отклонение темп-ры от равновесного значения Т). В больших угловых масштабах обнаружена слабая дипольная анизотропия. Это различие температур однозначно интерпретируется как результат движения Солнечной системы относительно фона реликтового излучения с v = 420 км/с. Температура реликтового излучения, идущего из области на небесной сфере, в направлении которой движется Солнце, несколько выше среднего значения, а из диаметрально противоположной области неба - несколько ниже. Обнаружены даже годовые вариации температуры, связанные с движением Земли вокруг Солнца.
Плотность энергии равновесного реликтового излучения составляет 5.10-13 эрг/см3. Излучение с такими характеристиками не может быть излучением звёзд с термоядерными источниками энергии или множества дискретных источников (квазаров и др.), находящихся на космологических расстояниях. В то же время интерпретация этого излучения, как сохранившегося от предшествующей плотной и горячей стадии развития Метагалактики (по этой причине оно и было названо реликтовым) является совершенно естественной и согласуется с другими экспериментальными и теоретическими сведениями. Планковский характер спектра фонового излучения согласуется с выводом о его реликтовом происхождении, поскольку в процессе расширения Вселенной излучение со спектром, первоначально соответствовавшим закону Планка, остаётся планковским, уменьшается лишь его температура. Если R(t) характеризует размер какого-либо большого расширяющегося объёма в Метагалактике, то плотность энергии излучения падает с расширением пропорционально R-4, поскольку уменьшается средняя концентрация фотонов (~R-3) и энергия (частота) каждого из них (~R-1).
На ранних стадиях расширения Вселенной, в эпоху высоких температур, не существовало нейтральных атомов и молекул, т. к. энергия фотонов и теплового движения частиц превышала энергию связи атомов и молекул. По этой причине вещество в целом находилось в состоянии плазмы, и равновесный спектр реликтового излучения сформировался благодаря взаимодействию излучения с плазмой. Когда температура плазмы и излучения снизилась до 4000 Кельвинов, фотоны реликтового излучения уже не могли ионизовать атомы. Электроны присоединились к ядрам атомов, и вещество в массе своей стало нейтральным. С этого периода, фотоны реликтового излучения распространяются практически свободно. Огромная величина свободного пробега фотонов реликтового излучения (миллиарды световых лет от акта их последнего рассеяния) является причиной, по которой оно стало эффективным средством исследования крупномасштабной структуры Вселенной.
В ту пору, в конце 1964 года, когда Пензиас и Вильсон возились со своей помехой, в Москве, два молодых физика, Новиков и Дорошкевич, опубликовали обзор всех известных на тот момент источников космического радиоизлучения. В конце этого обзор было вскользь упомянуто, что возможно существует, еще и остаточное излучение ранней горячей Вселенной (их учитель Яков Зельдович догадывался об этом), причем в сантиметровых волнах, где его не перекрывают другие источники. Но если оно есть, то оно так ничтожно, что обнаружить его могут лишь очень чувствительные телескопы. Самым подходящим для этого инструментом, могла бы быть антенна «Лабораторий Белл», что в Холмделе, сообщалось в статье.
Теория Большого Взрыва решала вопрос о происхождении галактик, предполагая, что случайные сгущения вещества, ставшие зародышами будущих галактик, образовались много позже «расцепления света с веществом». Но подсчеты показали, что в таком случае эти зародыши даже за 15 миллиардов лет не могли образовать такую сложную пространственную структуру, которая наблюдается сегодня. Однако те же подсчеты постепенно начали выявлять в стандартной теории Большого Взрыва и другие противоречия, требовавшие решения. Такие решения выдвигались, но для проверки нужен был более тонкий «щуп», чем первоначальная карта остаточного излучения Пензиаса - Вильсона, позволявшая различить только детали больше десяти угловых градусов.
Чтобы решить, существовали ли зародыши галактик уже в горячей Вселенной, нужна была карта с десятикратно более высоким разрешением. Было решено запустить в космос специальный спутник, который бы «сфотографировал» эту карту без земных помех и с помощью более чувствительных приборов. Спутник, получивший название COBE (Cosmic Background Explorer), был запущен НАСА. Результаты произвели сенсацию. На второй «фотографии прошлого», сделанной с разрешением в один угловой градус, выявились некие детали.
Критическая средняя плотность вещества в «плоской» Вселенной должна быть около десяти атомов водорода на кубометр пустоты. В нашей вселенной, с учетом всего видимого вещества видимой части Вселенной плотность эта составляет не более одного атома водорода на кубометр пустоты, или 0,1 критической плотности. Вселенная наша должна быть «открытой».
Стандартная теория Большого Взрыва не дает никакого ответа на вопрос, какая наша Вселенная. «Плоское» состояние с его точным равенством плотностей в каждый момент расширения Вселенной так же неустойчиво, как карандаш, стоящий на острие, - малейшее отклонение от равновесия будет только увеличиваться со временем. Если принять, что наша Вселенная сегодня близка к «плоской», то раньше она была бы к этому состоянию еще ближе.
Теоретики, задумавшиеся над всеми этими парадоксами, постепенно пришли к выводу, что стандартная теория Большого Взрыва что-то недоучитывает. Молодой теоретик Алан Гут, прослушавший лекции Дика о парадоксах стандартной теории Большого Взрыва, предложил первый внятный ответ на все эти вопросы. Около года у него ушло на разработку того, что впоследствии стало называться «инфляционной теорией Большого Взрыва». Сегодня она является основной в современной космологии, все другие теории и гипотезы так или иначе отталкиваются от нее. Гут допустил, что на самой заре жизни Вселенная пережила период быстрого и громадного экспоненциального расширения («инфляции»). За счет такого дополнительного расширения границы Вселенной отодвинутся так далеко, что в наблюдаемой ее части останется крайне мало монополей. С другой стороны, это расширение «растянет» Вселенную, как надувание растягивает воздушный шарик. Поверхность шарика при большом раздувании становится (на небольших участках) практически плоской, и пространство Вселенной после инфляции должно стать (в небольших объемах, например в объеме видимой нами части Вселенной) тоже практически «плоским», причем независимо от начальных условий, не требуя никакой их «тонкой подгонки»3.
Если Вселенная за время инфляции сильно увеличилась в размерах, значит, то, что мы видим сейчас большим, например видимая часть Вселенной, до инфляции было очень маленьким. Все ее участки вполне могли тогда же обменяться энергией и прийти в тепловое равновесие; поэтому ничего удивительного, что в сегодняшнем остаточном излучении точки, находящиеся даже на противоположных краях небосвода, имеют одинаковую температуру.
Гут предположил, что в какой-то момент инфляция прекратилась так же резко, как началась. Скорость расширения Вселенной резко упала, и, подобно тому, что происходит при всяком резком торможении, выделилась огромная энергия, которая тотчас, по закону эквивалентности массы и энергии, превратилась в вещество. Но такое превращение энергии в вещество и обратно управляется законами квантовой физики, а среди них есть известное соотношение неопределенностей Гейзенберга, которое, означает, что возникшая при окончании инфляции энергия не во всех точках постинфляционной Вселенной была одинакова, в ней были микроскопические, квантовые, флуктуации плотности. Где она была чуть больше, плотность возникшего вещества тоже оказалась чуть больше, и наоборот. Иными словами, квантовые флуктуации энергии привели к микроскопическим неоднородностям вещества. Это и были зародыши будущих галактик.
Темпы этого (уже равномерного, а не экспоненциального, как при инфляции) расширения были слишком малы, чтобы превозмочь стягивающее действие гравитации. Было проделано компьютерное моделирование этого процесса и показано, что гравитация в условиях хотя бы ничтожного превышения плотности над средней начинает очень быстро притягивать к этому уплотнению окружающее вещество, и это ведет к очень быстрому росту зародыша.
Заключение.
Процесс рождения Вселенной «практически из ничего» опирается на строго научные расчеты. Сегодня ученые могут объяснить большинство свойств нашей Вселенной, начиная с момента в 10-42 секунды и до настоящего времени и даже далее. Могут также проследить образование галактик и предсказать будущее Вселенной. Тем не менее, ряд непонятностей еще остается. Это, прежде всего — сущность скрытой массы (темной материи) и темной энергии.
Вселенная возникла приблизительно 14 млрд. лет назад в результате грандиозного взрыва, создавшего пространство и время, всю материю и энергию, которые нас окружают. Новорожденная Вселенная прошла стадию чрезвычайно быстрого расширения, названного инфляцией, которая радикально изменила пейзаж младенческого космоса. До возраста приблизительно 300 тыс. лет Вселенная была кипящим котлом из электронов, протонов, нейтрино и излучения, которые взаимодействовали между собой и составляли единую среду, равномерно заполняющую всю раннюю Вселенную. Общее расширение Вселенной постепенно охлаждало эту среду, и, когда температура упала до значения нескольких тысяч градусов, наступило время для формирования стабильных атомов. Так же в результате расширения первоначальное излучение стало менее интенсивным, но не пропало совсем. Именно его и обнаружили будущие нобелевские лауреаты Пензиас и Вильсон.
Реликтовое излучение равномерно заполняет всю Вселенную, и, если мы могли бы видеть микроволны, все небо пылало бы с поразительно одинаковой яркостью во всех направлениях. Эта однородность является одной из главных причин, по которой это излучение считают теплом, оставшимся от Большого Взрыва.
Список литературы:
Содержание: