Скорость разбегания галактик


Наиболее острые дискуссии среди космологов, астрофизиков вызывали вопросы о стационарности и нестационарности вселенной, о закрытости или открытости ее внешних границ.

Развитие спектроскопии (начало ХХ столетия) привело к удивительному открытию: было обнаружено, что вселенная не статична, а динамична и находится в состоянии расширения. Революционное значение этого открытия трудно переоценить. Даже А.Эйнштейн в своих первых работах по теории гравитации вначале отвергал возможность расширения вселенной.

Чтобы понять, как был получен этот удивительный результат, обратимся к методу, с помощью которого можно измерять скорость источника света. Скорость света конечна и составляет величину около 300000 км/сек. Она постоянна в вакууме. Свет, излучаемый движущейся звездой, распространяется с той же скоростью, что и свет от неподвижной звезды. Это свойство света легло в основу специальной теории относительности, из которой следует, что никакой материальный объект не может двигаться быстрее скорости света 1. Постоянство скорости света астрономы обнаруживают, изучая двойные звезды, т. е. пары звезд, движущиеся относительно друг друга по близким орбитам.


Исследуя спектр звезд, можно определить, движется звезда к Земле или от нее. Если свет испытывает смещение в сторону длинных волн (красное смещение), то звездный объект удаляется от наблюдателя, если свет испытывает смещение спектра в сторону коротких удьтракоротких волн, (смещение в область голубого и ультрафйиолетового спекта), то звездный объект приближается к наблюдателю (эффект Допплера).

Во втором десятилетии ХХ века Весто Мелвин Слайфер (1875 – 1969) и др. астрономы обнаружили, что почти все далекие галактики удаляются от Млечного Пути. Позже Эдвин Хаббл (1889 – 1953) установил, что скорость удаления галактики прямо пропорциональна расстоянию до нее: чем больше расстояние до галактик, тем больше видимая ее скорость. Спектры удаленных галактик, как правило, имеют красное смещение; по величине этого смещения можно определить скорости, с которыми галактики удаляются от нас. Разумеется, помимо этого всеобщего разбегания, каждая галактика может иметь самостоятельное движение в любом направлении; так, галактика Андромеды приближается к Млечному Пути со скоростью 50 км/сек.

Установленное красное смещение (разбегание галактик) свидетельствует о том, что наша вселенная нестационарна и расширяется. Однако этот парадокс расширяющейся вселенной контрастирует с её однородностью.


Однородность вселенной

Хаббл внес в космологию еще один вклад, не менее важный, чем открытое им расширение вселенной. Он обнаружил, что число галактик увеличивается пропорционально расстоянию до них. То есть, несмотря на локальные неоднородности в самой галактике, межгалактическое пространство со всеми звездными скоплениями и галактиками образует близкую к однородному состоянию структуру нашей вселенной.

Ни в одном направлении не обнаружено каких-либо явных отклонений от однородности в больших масштабах. Если бы вселенная имела какой-то выделенный центр или границу, то при подсчете галактик мы могли бы это заметить.

Вероятно, самое удивительное подтверждение крупномасштабной однородности вселенной было получено при недавних исследованиях космического фонового излучения. Это говорит о том, что на очень раннем этапе эволюции вселенной, когда возникло это излучение, она должна была быть очень однородной 2.

Парадокс Ольберса

Вдали от Млечного Пути небо выглядит удивительно темным. Эта, казалось бы, чисто внешняя особенность неба имеет глубокое значение для космологии. В ХIХ веке немецкий астроном Генрих Ольберс (1758 – 1840) высказал ряд простых предположений относительно вселенной.

Первое предположение сводится к следующему. Вселенная статична, содержит звезды почти одинаковой яркости и, если рассматривать достаточно большие области пространства, распределение звезд в ней однородно.

Из этих соображений вытекает удивительный парадокс.
ссмотрим некоторую сферическую оболочку, в центре которой находится Земля. Можно вычислить количество света, излучаемого звездами, находящимися внутри этой оболочки. Затем сделаем то же самое, но в оболочке с радиусом в 2 раза больше. Внутри этой оболочки звезды выглядят в 4 раза менее яркими, чем внутри первой оболочки, но зато их теперь в 4 раза больше, поэтому они дадут тождественный с первой вклад в свечение ночного неба. С каждым удвоением радиуса таких оболочек количество света должно удваиваться. Неограниченно продолжая такого рода рассуждения, мы приходим к выводу, что если рассматривать поверхности все большего радиуса, то яркость ночного неба должна неограниченно нарастать. Однако, за исключением Млечного Пути ночное небо выглядит очень темным, что явно противоречит всему вышесказанному.

Второе предположение дает возможность заключить обратное. Если законы оптики верны, в чем нет причин сомневаться, то почему при увеличении обзора вселенная не становится ярче? Следовательно, свет что-то должно поглощать. Что? Вопрос оставался без ответа, так как в это время считали, что пространство вселенной ничем не заполнено и представляет собой пустоту. А если свет поглощается пустотой, то там что-то есть, что способно поглощать свет…

Физики поняли, что если разрешится парадокс Ольберса и будет дан ответ на вопрос, из чего состоит пустота, можно узнать, как возникла вселенная. А это означало, что она не должна быть стационарной, изотропной. В ней должны происходить какие-то обменные процессы, следовательно, она должна иметь признаки динамичности.


Кстати, на это обратили внимание в древности еще китайские астрономы, зафиксировав появление яркой звезды на небе в дневное время в 1054 г. Появившись, она постепенно исчезла, подчеркивая факт, что во вселенной хотя бы и медленно, но все-таки протекают процессы рождения и исчезновения звезд. Но об этом никто не вспомнил из более поздних астрономов считавших вселенную вечной в пространстве и времени, бесконечной, стационарной, изотропной, неизменной.

Парадокс Ольберса можно объяснить красным смещением света далеких галактик. Красное смещение означает потерю энергии, а свет удаляющихся галактик испытывает очень большое красное смещение. Следовательно, вклад света, испытывающего красное смещение, в яркости ночного неба соответственно уменьшается. Рассуждая таким образом, мы снова можем согласовать наблюдаемую темноту ночного неба с теоретическими предсказаниями и опытным наблюдением. На самом деле ответ был дан позже, когда было открыто реликтовое фоновое космическое излучение.

Таким образом, современное разрешение парадокса Ольберса состоит в том, что высказанное им предположение о бесконечной статической вселенной неверно. Любая космологическая теория должна объяснять парадокс Ольберса, и теория Большого зрыва, которая получила развитие позже, удовлетворяет этому фундаментальному требованию.

Принцип Маха: понятие инерции


Оказывают ли далекие звезды какое-либо влияние на локальные свойства вещества? Чтобы ответить на этот вопрос, мы должны сравнить представления Ньютона об абсолютном пространстве с идеями, выдвинутыми в конце XIX века австрийским физиком Эрнстом Махом (1838 – 1916).

Используя колебания маятника (следя за прецессией плоскости его колебаний) легко сделать вывод о вращении Земли относительно локальной системы отсчета. Такую систему отсчета называют инерциальной, потому что видимое движение тела в ней определяется его собственной инерцией. Современный вариант решения этой задачи: запуск спутника на геостационарную орбиту (когда скорость вращения спутника совпадает со скоростью вращения Земли, и он постоянно висит над одной точкой земной поверхности). Если бы Земля не вращалась, спутник не мог бы оставаться неподвижным относительно нее.

Мах понял, что измерения по Ньютону носят абсолютно локальный характер и не имеют отношения к остальной вселенной. В отличие от Ньютона Мах, чтобы измерить вращение Земли, мог бы в принципе внимательно наблюдать ночное небо и следить за видимым движением звезд. Он мог бы определить скорость движения Земли с помощью глобального (астрономического) измерения.

То обстоятельство, что разные измерения должны дать один и тот же результат, произвело на Маха глубокое впечатление. Он заявил, что закон Ньютона ничего не говорит о связи между локальной и инерциальной системами отсчета, а касается локальной системы отсчета. Пытаясь объяснить причину отмеченного совпадения, Мах утверждал, что должна быть причинная связь между движением далеких звезд и локальной инерциальной системой отсчета.
йчас для нас совершенно очевидно, что локальная инерциальная система отсчета не влияет на движение отдаленных звезд. Но, как считал Мах, справедливо обратное утверждение: инерция любого тела определяется распределением материи во вселенной или: существует предпочтительная локальная система отсчета, в которой разбегание удаленных галактик изотропно.

Астрономам фактически удалось провести эксперимент, который позволил обнаружить эту предпочтительную систему отсчета. Можно считать, что космическое фоновое (реликтовое) излучение неразрывно связано с наиболее удаленными областями вселенной, в которых оно образовалось. Эти области совпадают с системой отсчета, относительно которой происходит всеобщее изотропное расширение вселенной.

Успех эксперимента по обнаружению анизотропии микроволнового фонового излучения дает в руки количественное определение локальной инерциальной системы отсчета и современную интерпретацию принципа Маха.

Реликтовое космическое (микроволновое) излучение

Реликтовое (или микроволновое) излучение – это электромагнитные волны, которые испускала в пространство материя в самом начале существования вселенной. Этот слабый «белый шум» является одним из доказательств верности гипотезы Большого взрыва. Материя, сжатая «в начале времен» в сравнительно небольшом объеме и разогретая до гигантской температуры, 13.7 млрд. лет назад начала разлетаться в разные стороны. Позже анизотропия реликтового излучения доказала верность расчетов физиков, моделировавших Большой взрыв, за которым последовало охлаждение и преобразование материи, породившей галактики, звезды, планеты и все наблюдаемое в пространстве вещество.


Измерения эффективной температуры шумов в максимуме диаграммы направленности 20-футовой рупорной антенны-рефлектора, проведенные в лаборатории Кроуфорд-Хилл (Холмдел, Нью-Джерси) на частоте 4080 Мгц, дали величину, приблизительно на 3,5°К превышающую ожидаемую. Излучение, соответствующее этой повышенной температуре, в пределах точности наблюдений, оказалось изотропным, то есть однородным (с точностью 1:1000), неполяризованным и неподверженным сезонным изменениям названо реликтовым 3.

Открытие принадлежит радиоастрономам Арно Пензиасу и Роберту Уилсону в 1964 г. Они обнаружили дополнительный радиошум, который не зависел от того, куда направлена антенна. При этом интенсивность излучения не изменялась во всех направлениях исследования радиошума. Интенсивность радиошума также оставалась неизменной в направлении Солнца, отдельных звезд, Млечного Пути. Поэтому природа фонового излучения не могла иметь солнечного или галактического происхождения.

В 40 – 60-х годах XX века несколько раз ученые обнаруживали наличие необычного фона в радиодиапазоне, но эти открытия либо были не замечены, либо неправильно интерпретировались. Этот радиошум в середине 50-х годов выявил и советский астроном Шмаонов, но он так и не смог определить его происхождение. Интересно также заметить, что теоретически наличие фонового микроволнового излучения в сантиметровом диапазоне радиоволн было предсказано за год раньше отечественными астрофизиками А.Г. Дорошкевичем и И.Д. Новиковым. Но это открытие было сделано А.Пензиасом и Р.Уилсоном, которые были позже удостоены Нобелевской премии.


Открытие Пензиаса и Уилсона было ошеломляющим, так как фоновое космическое излучение «фонило» на длине волны водорода. А это означало, что пустота была заполнена водородом, который и мог поглощать свет. Так перестал существовать парадокс Ольберса. Свет, идущий от небесных светил мог поглощаться рассеянными атомами водорода, заполняющими пространство между звёздами.

Дальнейшие оценки температуры излучения космического фона позволили измерить… температуру вселенной, которая оказалась равной около 2,7 К. То есть всего на 2,7 К отличающаяся от абсолютного нуля.

Однако открытие изотропного реликтового космического излучения противоречил концепции Большого взрыва, описывающей раннюю историю образования вселенной, поскольку сам процесс её возникновения по этой модели уже должен содержать первичную неоднородность (анизотропию) реликтового излучения. Но невозможность более точной оценки реликтового космического излучения с поверхности Земли в то время не могла выделить ничтожно малые неоднородности этого излучения. Поэтому и был позже подготовлен эксперимент изучения этой неоднородности с помощью спутников, выведенных за пределы Земли.


Рис. 6.2. Упорядоченное распределение относительно «тёплых» и «холодных» областей реликтового микроволнового излучения в наблюдаемой крупномасштабной вселенной 4.

В 2006 году Нобелевскими лауреатами по физике стали сотрудник Годдардовского центра космических полетов НАСА Джон Мэтер и Джордж Смут из Калифорнийского университета Беркли, показавших анизотропию (неоднородность) реликтового (микроволнового) космического излучения и то, что его спектр соответствует абсолютно черному телу, температура которого составляет около 2,7 градуса выше абсолютного нуля.

Специалист и функционер НАСА Джон Мэтер был главным «идеологом» запуска космического аппарата COBE в 1989 году. Этот спутник произвел точные измерения реликтового излучения. В 2001 году в США запустили еще один космический аппарат для изучения реликтового излучения – WMAP.

Попытки установить анизотропию реликтового космического излучения делались и в СССР. В 1983 году в космос был запущен советский научный спутник «Реликт-1» («Прогноз-9»), но его технических возможностей не хватило для измерений анизотропии реликтового излучения. Позже предполагалось доработать аппаратуру и запустить «Реликт-2», но этот старт ориентировочно был назначен на 1993-1994 год. Естественно, из-за революционных событий 1991-1993 гг эта программа не была реализована у российских ученых по финансовым причинам.


Новый зонд WMAP был выведен в космическое пространство 30 июня 2001 года США ракетой-носителем Delta -II, стартовавшей с космодрома имени Кеннеди на мысе Канаверал. Собранная WMAP информация позволила ученым построить самую детальную на сегодняшний день карту малых флуктуаций температуры распределения микроволнового излучения на небесной сфере. Она составляет в настоящее время около 2,73 градусов выше абсолютного нуля, отличаясь на разных участках небесной сферы лишь на миллионные доли градуса. Более точное измерение реликтового фонового излучения показало, что «холодные» и «теплые» области во вселенной оказались расположенными на небесной сфере не случайным, как следовало бы, а упорядоченным образом (рис.6.2). Космологом Жоао Магуэйо (Joao Magueijo) из лондонского империал-колледжа эта упорядоченность была названа «Осью зла» ибо выявленная упорядоченность в распределении температуры реликтового фонового излучения не укладывалась в концепцию Большого взрыва. Компьютерное моделирование подтвердило, что подобный характер распределения флуктуаций температуры фонового реликтового излучения возникает только в случае, если размеры вселенной невелики, и в них просто не могут возникнуть более протяженные области флуктуаций… Таким образом, устоявшаяся научная картина мира Стандартной модели Большого взрыва может подвергнуться пересмотру, если обнаружатся и другие факты, не вписывающиеся в неё.

Столкнувшись с одним из самых захватывающих моментов истории современной физики, Дикке из Принстонского университета понял, что фоновое (реликтовое) излучение может послужить самым главным ключом к разгадке происхождения вселенной и разрешения парадокса Ольберса. Таким образом, Дикке независимым путем пришел к теории, предложенной еще Г.А.Гамовым (1904 – 1968), за десять лет до открытия фонового излучения.

Гамов утверждал, что некоторые химические элементы были созданы в первые минуты Большого взрыва. И как следствие этого всюду должны сохраниться следы этого первичного излучения 5.

Теория Гамова (1948) была предана забвению, когда астрофизики пришли к выводу, что элементы тяжелее гелия не могли синтезироваться в сколько-нибудь заметном количестве в ходе Большого взрыва. Однако, в конце концов, стало очевидным, что Большой Взрыв обеспечивает условия и даже неизбежность синтеза гелия. Этот элемент, уступающий по распространенности только водороду, составляет приблизительно треть массы вселенной. И кажется невероятным, чтобы такое количество гелия могли синтезировать звезды. И тот факт, что распространенность гелия по всем направлениям вселенной одинакова, свидетельствует в пользу его первичного происхождения.

Длина волны космического фонового излучения составляет 2,1 см, что соответствует эффективной температуре 2,7°К, т.к. существует зависимость между энергий излучения, длиной волны и температурой.

E = sT4 (закон Стефана – Больцмана)

Е = hν (закон Планка),

где λ = с/n: здесь с – скорость света, ν – частота, λ – длина волны, Т – абсолютная температура Кельвина, h – постоянная Планка.

Такая температура реликтового (остаточного) фонового излучения согласуется с представлениями об остатке чрезвычайно горячего первичного огненного шара, которым была очень ранняя вселенная.

Нерешенные проблемы

Несмотря на выдающиеся достижения современной физики и астрофизики, остается масса нерешенных вопросов в познании устройства мира. Попытка объяснить некоторые экспериментальные факты наталкивались на большие трудности особенно в решении следующих проблем:

инерционности тел;

физики электрических и гравитационных взаимодействий;

причины корпускулярно-волнового дуализма электромагнитных волн и частиц;

физики дефекта масс микрочастиц;

парадокса «скрытой массы» и «темной энергии» космических объектов;

парадокса космологического красного смещения;

зависимости скорости распространения фотонов в вакууме от частоты электромагнитных волн;

кривой зависимости скорости обращения звезд от расстояния до центра галактики;

причины диспропорции момента количества движения у планет и Солнца и др.6

Мировые константы

В настоящее время точность фундаментальных физических констант действует в огромном диапазоне пространственных интервалов от 10-15 м в микромире, и до 1028 м в макромире. И временных интервалов от 10-23 с до 1019 с. Фундаментальная общность констант, относящихся к миро- и макромиру свидетельствуют об общности устройства мира и о его единстве происхождения.

Мировые константы приведены в таблице 6.2.

Таблица 6.2

Фундаментальные константы мегамира (Н.В.Косинов,2002)7.

Величина Формула Значение
Космологические уравнения c4/G=αhuH/luα20α220
ћG=2lu3H0c2
Gme/lu2=2αH0c
Gme2/lu2=2α2ћH0
Gme2/lu2=2α2ћH0/lu
Gme2c=2e2luH0
Gme3=2α2ћ2H0
 
Гравитационная константа G=α10α210lu5/tu3hu 6,67286741(83)∙10-11Nm2kg1
Константа Хаббла Ho=α10α210/2αtu 1,7495316649(89)∙10-18s-1
Масса светящейся материи Метагалактики М=c3/H0G
M=hutu2α/α20α220lu2
2,307957…)∙1053kg
2,307957…)∙1053kg
Полная масса Метагалактики, включая Темную энергию Mu=hutuα-20α2-20/lu2 1,58136631(26)∙1056kg
Большое число D0-10α2-10 4/16650385(15)∙1042
Космологическая суперсила Fs=hu/lutuα10α210 1,2105153∙1044N
Возраст Метагалактики По Хабблу TMG=2tuαα-10α2-10 5,71581539(22)∙1017 s
Радиус Метагалактики RMG=2luαα-10α2-10 1,71355834(10)∙1026 m
Плотность энергии вакуума εvac=3hu/4πtulu3D04
ρvac=3hutu/4πtulu5D04
2,898405∙10-141 Дж/м3
3,224911∙10-161г/см3
Плотность вещества во вселенной ρu=3hutu/32πlu5α3D0 7,503211∙10-28 г/см3
Критическая плотность вещества во вселенной ρс=3hu/32πtuc2 α2lu3D0 5,475358∙10-30 г/см3

Поразительным является то, что все вычисленные мировые константы как бы «подогнаны» для того, чтобы они в будущем спровоцировали появление разума, способного понять сущность этих констант. В этом смысле в космологию было введено понятие антропного принципа.

C развитием астрофизики появились новые проблемы. Они касались незыблемости физических констант. Но современные физики склонны утверждать, что в относительно далеком прошлом и скорость света, и другие константы могли быть иными. Правда, эти отличия весьма незначительны, но они могли бы сказаться на сути происходивших в прошлом процессов формирования вещества и самой вселенной.

Теория относительности, пришедшая на смену ньютоновской механики, постулировала постоянство скорости света. То есть согласно Эйнштейну в любой системе отсчета и в любом месте вселенной скорость света постоянна.

В двадцатом веке астрономические эксперименты подтвердили правильность выводов Эйнштейна. Но на рубеже двадцать первого века (на круги своя!) – физики вновь поставили под сомнение постоянство скорости света. Поскольку астрофизики обнаружили квазары – самые древние объекты во вселенной. Они находятся на периферии видимого пространства, доступного наблюдению. А это означает, что свет, который фиксируют приборы, возник всего через 1 – 2 миллиарда лет после Большого взрыва (!).

В 1998 году обнаружилось, что спектр квазара – после всех поправок на доплеровское смещение – выглядел иначе, чем при моделировании веществ, из которых состоит космический объект. По положению линий в атомных спектрах может быть рассчитана постоянная тонкой структуры «альфа» – безразмерная величина, связывающая заряд электрона с константой Планка и скоростью света. Согласно результатам Джона Вебба и Виктора Фламбаума, за 12 миллиардов лет «альфа» 8 увеличилась на несколько миллионных долей. Расчеты астрофизиков подтвердили физики-ядерщики, исследовав в одной из урановых шахт на территории Габона концентрации различных изотопов среди продуктов деления урана, возраст образования минералов которого достигал 2 миллиарда лет. Поскольку константа влияет на скорость захвата нейтронов ядрами, то при большей константе элемент самарий-150 встречался бы чаще, чем наблюдалось. Перепроверка в 2004 году подтвердила гипотезу Флагбаума и Вебба. «Альфа» увеличилась на 45 миллиардных долей за все время жизни естественного природного реактора в Габоне, законсервированного в естественных рудных образованиях. Другими словами, фундаментальность «альфа» ставится под сомнение, правда, только на уровне почти запредельных рассчитанных значений, определяющих природу электромагнитных явлений.

Однако полученные данные могут кое-что прояснить. Дело в том, что термодинамика не в состоянии истолковать, как между различными частями вселенной установилось тепловое равновесие. Ведь тогда отдаленные ее участки на бесконечно большие расстояния должны были обмениваться, по крайней мере, излучением, но постоянство скорости света делало бы такой энергетический обмен невозможным. Таким образом, если скорость света раньше была другой, например, «сверхсветовой», причины теплового равновесия становятся понятными. Правда, возникает и другой вопрос. А почему вселенная (даже за счет инфляции) имела в прошлом размеры бесконечно большие? Скорее проще утвердиться в мысли о том, что размеры вселенной в прошлом были не более тех, которые бы удовлетворяли энергетическому обмену крайних ее частей, опираясь на фундаментальную постоянную скорости света.

Интерпретация полученных расчетов дает возможность предположить, что если бы в начальный момент существования вселенной параметр «альфа» отличался от нынешней величины всего на 4 процента, то стал бы невозможен синтез углерода в недрах звезд. Естественно, ни о какой судьбе вселенной, похожую на современную, с существованием в ней планет, жизни и разума говорить бы не пришлось. Вселенная развивалась бы по другому сценарию. А поскольку мы видим то, что наблюдаем, то остается признать (хотя бы по тому же антропному принципу), вселенная такова, какова она есть. А наблюдения о возможности флуктуации констант, даже таких, как «альфа», вряд ли что-нибудь изменят в существе происходивших ранее процессов во вселенной, приведших к возможности нам рассуждать о том, какова ее история.

Еще одна проблема «фундаментальности» постоянных касалась соотношения масс протона и электрона, выраженной константой «μ». Эта константа задает размеры молекул и, кроме того, используется при описании сильных или так называемых ядерных взаимодействий. Сильные внутриядерные силы действуют на кварки – субчастицы с дробным зарядом, из которых образуются протоны и нейтроны. Современное соотношение масс как раз гарантирует существование атомов. В противном случае был бы возможен захват электронов ядром атома, а слияние электронов с протонами в атомных ядрах превратило бы вселенную в нейтронную пустыню. Теоретики выяснили, что для такого развития событий достаточно было бы увеличить «μ» всего на 8 сотых процента. Критическая величина только в сорок раз больше той, которую нашли космологи, наблюдая за молекулярным водородом в квазарах.

Полученные новые данные астрофизиками и физиками позволили усилить позиции теории «суперструн» 9, предполагающие расширить четырехмерное пространство до n-измерений. Перспективы выглядят так: «струны» , «мембраны» должны объединить два главных достижения «новой физики» – гравитационную и квантовую теории в рамках Суперобъединения. Приверженцы этих взглядов готовились узнать о первых «практических» результатах после запуска Большого адронного суперколлайдера – самого мощного из ускорителей элементарных частиц. Если масса протона действительно меняется со временем, тогда это можно трактовать как расширение вселенной, но только в дополнительных размерностях пространства – не четырехмерном.

В условиях расширяющейся вселенной и соблюдения законов сохранения энергии, гравитация компенсирует энергию, заключенную в массах объектов, заполняющую пространство вселенной. Таким образом, суммарная энергия и масса нашей вселенной сбалансированы. А это в условиях расширяющейся вселенной означает, что внутренняя энергия Метагалактики стремится к нулю (по крайней мере, минимальна).

В принятых начальных условиях, которые предшествовали образованию вселенной, характеризующиеся состоянием сингулярности, плотность вещества в таком состоянии достигала 1·1093 г/см3. Объем сингулярности не превышал 1·10-33 см3. Масса вселенной на момент сингулярности, таким образом, должна была составлять около 1·1060 г. То есть близка к фундаментальной постоянной массы вселенной (1·1059 г), приведенной в таблице 6.2.

Если масса Солнца равна 2·1015 г, а в галактике около 100 млрд. звезд, то вся масса Млечного Пути будет составлять около 2·1026 г при условии, что средняя масса звезд в нашей галактике близка к массе Солнца.

В этом смысле, если принять, что наша галактика относится к средним по массе образованиям, то, зная массу вселенной, количество галактик в ней должно быть около 5·1034. Поистине Метагалактика оказывается бесконечной…

Ссылки

Косинов Н.В. Константные базисы новых физических теорий.Физический вакуум и природа,N5/2002,с.69-104.

Источник: www.avkokin.ru

История и суть открытия

Космологический закон, характеризующий расширение Вселенной, известен ныне именно как закон Хаббла. Это главнейший наблюдательный факт в современной космологии. Он помогает в оценке времени расширения Вселенной. Вычисления производятся с учётом коэффициента пропорциональности, называемой постоянной Хаббла. Сам закон получил свой нынешний статус вначале, как результат работ Ж. Леметра, а позже и Э. Хаббла, который для этого использовал свойства цефеид. Эти интересные объекты имеют периодические изменения светимости, что делает возможным определить их удаление достаточно надёжно. При помощи зависимости «период-светимость», он измерил расстояния до некоторых цефеид. Ещё он определил красные смещения их галактик, что позволило вычислить радиальные скорости. Все эти эксперименты были проведены в 1929 году.

Величина коэффициента пропорциональности, которую вывел учёный, составила примерно 500 км/сек на 1 Мпк. Но в наше время параметры коэффициента изменились. Теперь он составляет 67,8 ± 0,77 км/сек на 1 Мпк. Эта нестыковка объясняется тем, что Хаббл не учёл поправки на поглощение, которая в его время ещё не была открыта. Плюс к этому, не были приняты во внимание собственные скорости галактик, вкупе со скоростью, общей для группы галактик. Также следует учитывать, что под расширением Вселенной понимается не простой разлёт галактик в пространстве. Это ещё и динамическое изменение самого пространства.

Постоянная Хаббла

Это составляющая величина закона Хаббла, которая увязывает значения расстояния до объекта, находящегося за пределами нашей галактики, и скорости его удаления. Положения этой постоянной определяют средние значения скоростей галактик. Используя постоянную Хаббла, можно определить, что галактика, расстояние до которой 10 Мпк, удаляется со скоростью 700 км/сек. А галактика, удалённая на 100 Мпк, будет иметь скорость уже в 7000 км/сек. Пока все обнаруженные объекты сверхдальнего космоса вписываются в рамки хаббловского закона.Название оправдано её постоянством во всех точках Вселенной, но только на конкретный момент времени. Некоторые астрономы обыгрывают это изменение, называя постоянную – переменной.

Выводы из закона

Определив, что туманность Андромеды – галактика, состоящая из отдельных звёзд, Хаббл обратил внимание на смещение в спектральных линиях излучений соседних галактик. Смещение было сдвинуто в красную сторону, и учёный охарактеризовал это, как проявление эффекта Доплера. У него получилось, что галактики, по отношению к Земле, удаляются. Дальнейшие исследования помогли понять, что галактики тем быстрее убегают, чем дальше от нас они находятся. Именно этот факт и определил, что закон Хаббла – центростремительное разбегание Вселенной со скоростями, нарастающими по мере удаления от наблюдателя. Кроме того, что Вселенная расширяется, закон определяет, что она ещё имела своё начало во времени. Для понимания данного постулата, нужно попытаться происходящее расширение визуально запустить обратно. В таком случае можно дойти до начальной точки. В этой точке – маленьком комке протоматерии – и был сосредоточен весь объём нынешней Вселенной.

Закон Хаббла также способен пролить свет и на возраст нашего мира. Если удаление всех галактик происходило изначально с той же скоростью, которая наблюдается и ныне, то время, прошедшее с начала разлёта, и есть само значение возраста. При современном значении постоянной Хаббла (67,8 ± 0,77 км/сек на 1 Мпк), возраст нашей Вселенной оценён в (13,798 ± 0,037) . 109 лет.

Значение в астрономии

Эйнштейн оценивал работу Хаббла достаточно высоко, а закон получил быстрое признание в науке. Именно наблюдения Хабблом (совместно с Хьюмасоном) красных смещений сделало вероятным допущение, что Вселенная не является стационарной. Закон, сформулированный великим учёным, фактически стал указанием, что во Вселенной присутствует некая структура, влияющая на разбегание галактик. Она имеет свойство сглаживать неоднородности космического вещества. Поскольку разбегающиеся галактики не замедляются, как это должно было быть вследствие действия их собственного тяготения, то должна существовать какая-то сила, их расталкивающая. И эта сила получила название тёмной энергии, которая имеет около 70% всей массы/энергии видимой Вселенной.

Сейчас расстояния до удалённых галактик и квазаров оцениваются посредством закона Хаббла. Главное, чтобы он действительно оказался верным для всей Вселенной, безграничной в пространстве и во времени. Ведь мы ещё не знаем свойств тёмного вещества, которое вполне может подкорректировать любые представления и законы.

Источник: light-science.ru

Скорость разбегания галактик В 1929 г. Хаббл сообщил об открытии им фундамен­тальной закономерности. Он обнаружил, что линии спект­ров всех галактик, за исключением нескольких галактик из числа самых близких, смещены в красную сторону. Как и в случае смещения спектров звезд, объясняемых явлением Доплера, отношение изменения длины волны Δƛ  к самой длине волны ƛ одинаково для всех линий спектра данной галактики. Если объяснять это явление, как обычно, эффектом Доплера, то нужно сделать вывод, что все галактики, за исключением нескольких из числа самых близких, удаляются от нас, и скорость удаления υ  каждой галактики определяется из пропорции

υ / c = Δƛ / ƛ                          (1)

где с — скорость света.

Но этим еще не исчерпывалось открытие. Выяснилось, что чем в среднем слабее галактика, тем сильнее смеще­ны в красную сторону линии ее спектра, а так как сла­бый блеск галактики, вообще говоря, свидетельствует в пользу ее большей удаленности, то можно сделать вывод, что чем дальше находится галактика, тем сильнее смещен ее спектр в красную сторону.

Исследовав вопрос подробно, Хаббл установил, что от­ношение Δƛ / ƛ, определяемое по спектру галактики, про­порционально расстоянию до галактики, т. е. красное смещение в спектрах, галактик пропорционально расстоя­нию до галактик.

Сначала эта закономерность была установлена для ярких и, следовательно, сравнительно близких галактик. Но затем в 1936 и 1953 гг. Хаббл показал, что она спра­ведлива для всех галактик, включая самые слабые, в ре­зультате чего обнаруженная закономерность приобрела характер всеобщего закона. Этот закон, названный зако­ном красного смещения спектров галактик, а иногда называемый законом Хаббла, является одним из фундаментальнейших законов Вселенной, одним из основных законов природы.

Ввиду чрезвычайной важности закона красного сме­щения спектров галактик, покажем, каким способом Хаббл пришел к его установлению, но воспользуемся при этом более обширным материалом лучевых скоростей 806 га­лактик, который получили в 1956 г. Хьюмасон, Мейалл и Сендидж.

Предположим, что закон красного смещения спектров галактик справедлив и, следовательно, выполняется ра­венство

с*( Δƛ / ƛ)= H*r                         (2)

где с — скорость света, а H — некоторый коэффициент пропорциональности,   который в честь Хабла принято обозначать первой буквой его фамилии (Hubble). Тогда, подставляя в известное нам равенство

m=M+5lgr-5         (3)

вместо r его выражение из (2), получим

m = 5lg(c* Δƛ / ƛ) + M – 5 – 5 lg * H             (4)

   Последние два члена в равенстве— постоянные ве­личины. Если бы была еще одинаковой для всех галактик абсолютная звездная величина М, то, откладывая на оси

абсцисс   lg(c* Δƛ / ƛ),  а на оси ординат  m, находимые из наблюдений галактик, мы, если закон Хаббла выполня­ется, согласно (4) должны были бы получить точкирасполагающиеся строго вдоль некоторой прямой. На са­мом деле абсолютные звездные величины галактик разли­чаются между собой, и притом, как мы знаем, довольно сильно. Вследствие этого (если закон Хаббла выполняется), точки будут располагаться не строго вдоль прямой, а сгруппируются около нее с некоторым разбросом.

График, построенный Хьюмасоном, Мейаллом и Сендиджем, убеждает в справедливости закона Хаббла. Важно здесь также то, что наклон прямой, около которой разбросаны точки, получается как раз таким, каким он должен быть согласно коэффициенту 5, стоящему перед логарифмом в уравнении (4).

Скорость разбегания галактик

Чтобы добиться еще более убедительного результата, уменьшить разброс точек около прямой, Хьюмасон, Мей­алл и Сендидж воспользовались следующим приемом. В 18 скоплениях галактик они измерили красное смеще­ние спектров у первой, третьей, пятой и десятой по яр­кости галактики и определили средние значения lg(c* (Δƛ / ƛ)) и m для них. Можно полагать, что ярчайшие члены  скоплений не очень сильно отличаются от скопления к скоплению по абсолютной звездной величине. Кроме того, здесь взяты средние величины. Поэтому, если закон Хаб­бла верен, разброс точек должен сильно уменьшиться.

Как показывает рисунок, это в действительности и прои­зошло. Полученные точки с очень малым разбросом ло­жатся около прямой. Закон Хаббла выражается от­четливо.

Итак, закон подтвержден: для галактик выполняется условие (2).

Но можно ли утверждать, что красное смещение спек­тров галактик есть следствие эффекта Доплера, т. е. что оно вызывается удалением галактик? Если допустить, что это именно так, то из равенств (1) и (2) следует, что

υ=H*r                 (5)

и мы приходим к выводу, к которому астрономы за про­шедшие 45 лет уже привыкли, но который поражает воображение каждого, кто впервые его узнаёт: галактики удаляются со скоростями, пропорциональными их расстояниям! Если одна из них расположена в сто раз даль­ше, чем другая, то она и удаляется от нас в сто раз быстрее.

Скорость разбегания галактик

Хабл объяснял красное смещение спектров галактик эффектом Доплера, поэтому закон (5) также называют законом Хаббла. Нужно, одна­ко, понимать, что закон (2) является безусловно правиль­ным, он проверен наблюде­ниями, а закон (5) верен что смещение спектров вызывается эффектом Доплера, чего наблюдениями доказать нельзя. Можно лишь судить о большей или меньшей степени правдоподобности этого утверждения.

Если бы весь наблюдаемый мир образовался в результате грандиозного взрыва и галактики формировались из матери, разбросанной взрывом, то те из низ, которые зародились в частях материи, получивших в момент взрыва большую скорость, должны были бы к настоящему моменту улететь дальше, в полном согласии с законом Хаббла.

Принятие закона Хаббла в виде (5), утверждающем, что галактики имеют положительные скорости, пропорциональные их расстояниям, должны неизбежно приводить к выводу, что никогда в прошлом (как давно это зависит от коэффициента H) все галактики, или куски материи, из которых они сформировались, вылетели одновременно, но с разными скоростями из некоторого сравнительно малого объема.

Этот вывод имеет настолько большое значение для всех наших представлений о происхождении и строении Вселенной, что прежде чем с ним согласиться, необходи­мо проверить, нет ли других возможностей для объясне­ния красного смещения, кроме эффекта Доплера.

Было предложено несколько иных объяснений. Одно из них, получившее название гипотезы «старения кван­та», состоит в том, что фотоны, т. е. частицы света, при своем движении в пространстве теряют часть энергии, которая в них заключена. Утверждается, что таков закон движения фотона в пространстве. Энергия фотона про­порциональна частоте, т. е. обратно пропорциональна длине волны излучения. Поэтому, по мере того как фотон путе­шествует в пространстве, длина волны излучения стано­вится все больше и весь спектр далекого объекта оказы­вается смещенным в красную сторону, причём величина смещения будет пропорциональна

расстоянию. На малых расстояниях и даже на расстояниях больших (но не очень) эффект старения кванта еще настолько незначите­лен, что его нельзя обнаружить из наблюдений, поэтому он сказывается только в спектрах весьма отдаленных тел — других галактик.

Еще одно объяснение, предложенное вместо эффекта Доплера, состояло в конкретизации причины «старения кванта». Потеря энергии фотоном не есть просто закон его движения, а вызывается взаимодействием с другими фотонами излучения, заполняющими пространство Мета­галактики и движущимися по всевозможным направле­ниям. Чем больший путь проходит фотон, тем в среднем больше взаимодействий он испытывает, тем больше будет красное смещение спектра галактики.

Слабость всех гипотез, сводящихся к «старению кван­та» при движении света в пространстве, состоит в том, что они требуют отказа от закона сохранения энергии. Если «старение кванта» есть просто закон его движения, то энергия теряется, не передаваясь ничему, т. е. закон сохранения энергии нарушается. Если же фотон теряет часть энергии, передавая ее какой-то среде, другим фо­тонам, вообще каким-то частицам, то всякая такая пере­дача энергии должна быть связана с возможностью из­менения направления полета фотона. Фотоны, прошед­шие очень большой путь, должны заметно изменить на­правление своего движения в пространстве. Вследствие этого изображения далеких галактик должны быть раз­мытыми, и чем дальше галактика, тем степень размыто­сти ее изображения должна быть больше.

Но наблюдения показывают, что очертания далеких и очень далеких галактик столь же ясны и отчетливы, как и ближайших к нам звездных систем.

Поэтому гипотезы «старения кванта», серьезно об­суждавшиеся еще лет тридцать назад, в настоящее время почти не находят сторонников.

Только эффект Доплера может приводить к сильному красному смещению спектров галактик и сохранять при этом отчетливые изображения галактик на фотографиче­ских пластинках, такие, какие в действительности наблю­даются. Таким образом, хотя это нельзя считать строго доказанным, а просто ввиду отсутствия других удовлетво­рительных объяснений, разумно считать, что красное смещение спектров галактик действительно вызывается их удалением.

Значит, нужно принять и следствие из этого вывода, а именно, что в некоторый момент в прошлом все галак­тики, или куски материи, из которых образовались галак­тики, были одновременно выброшены по равным направ­лениям и с разными скоростями из маленького объема пространства. Этот фундаментальный космогонический вывод в тридцатые годы нашего века породил гипотезы, рассматривающие взрыв, давший начало галактикам, как сотворение мира в результате божественного акта.

С другой стороны, вывод об имевшем место, казалось бы, начальном моменте существования всей наблюдаемой Вселенной настораживал многих астрономов и вызывал у них недоверие к закону Хаббла. Но попытки игнориро­вать закон, основанный на точных наблюдениях, никогда не приводят к научному прогрессу. В наши дни ста­ло совершенно ясным, что предположение о некотором грандиозном процессе взрывного характера, давшем начало галактикам и сообщившим им различные ско­рости, является наблюдательным фактом, вполне со­гласующимся с материалистическими представлениями о Вселенной.

Взрывные процессы различного масштаба оказались весьма распространенными во Вселенной. Вспышки но­вых звезд, вспышки сверхновых звезд, грандиозный взрыв в ядре галактики NGC 3034 и другие явления, о которых мы будем писать ниже, свидетельствуют о су­ществовании, процессов взрывного характера, показыва­ют, что процессы такого рода — закономерность в эволю­ции Вселенной. Взрывной процесс, давший начало всем наблюдаемым галактикам, следует рассматривать в цепи этих явлений как самое грандиозное из них.

Предположим, что в результате взрыва, происшедшего 1,5 млн. лет назад, в ядре галактики NGC 3034, сформи­ровались звезды. Около одной из них образовалась пла­нетная система и развилась разумная жизнь. Точные научные исследования, которые выполнят разумные су­щества, приведут их к выводу, что планетная система, в которой они живут, и окружающие их звезды образо­вались одновременно в результате взрыва и выбросов из маленькой области внутри ядра галактики 1,5 млн. лет назад. Будет ли такой вывод научным? Разумеется. Тре­бует ли он признания сверхъестественной божественной силы? Нет, конечно. Разумным существам в галактике NGC 3034, как и нам, необходимо будет признать, что наблюдательные данные свидетельствуют о существова­нии и важной роли в космогонии еще неизученных про­цессов взрывного характера. Они, как и мы, должны считать первостепенной задачей изучение этих процессов, связанных с бурным переходом вещества из одного со­стояния в другое. То, что взрывные процессы проявля­ется в различной форме и имеют различные масштабы, должно способствовать изучению сути этих явлений.

Так как все обозреваемое пространство Вселенной заполнено галактиками и никаких иных тел, отклоняю­щихся от закона Хаббла, не наблюдается, то этот закон  можно трактовать как общее расширение наблюдаемой области Вселенной, расширение Метагалактики. Можно даже считать, что происходит равномерное и изотропное, т. е. одинаковое во всех точках и во всех направлениях, расширение пространства, влекущее удаление друг от друга тел, в нем находящихся.

Удаление галактик по всем направлениям от земного наблюдателя вовсе не означает, что Земля или, лучше сказать, наша Галактика занимает центральное положе­ние во Вселенной, в Метагалактике. Представьте себе сплошной резиновый шар, который мы каким-нибудь спо­собом равномерно растягиваем по всем направлениям. В какой бы точке этого шара ни находился наблюдатель, в центральной или любой иной, ему будет казаться, что все остальные точки шара от него удаляются, причём удаляются со скоростями, пропорциональными их рас­стояниям. Интересно, что если скорость удаления галак­тик не зависит от направления, то только закон пропорциональности скорости расстояниям не ведет к антропоцентризму — выводу о центральном положении человека во Вселенной. Если бы, например, все галактики, независимо от их расстояний, удалялись от Земли с одинаков вой скоростью, то, как легко себе это представить, положение нашей Галактики во Вселенной было бы исключи­тельным. Только при взгляде из этой точки происходило бы расширение по всем направлениям, и во всех направ­лениях скорость расширения была бы одинаковой. Для каждой из других точек пространства имелось бы направление, в котором расширение отсутствует, а в остальных направлениях скорость расширения была бы различной

Рассматривать удаление галактик как расширение пространства удобно еще вот почему. Галактики, являю­щиеся членами одного и того же скопления галактик, находятся почти на одинаковом расстоянии от нас, так как обычно размеры скопления малы в сравнении с такими расстояниями. Между тем лучевые скорости этих галактик обычно заметно отличаются друг от друга. От­личие намного больше того, которое следует из закона Хаббла, если бы одни галактики находились на ближней к нам, а другие на дальней от нас границах скопления; Это явление объясняется тем, что все скопление галактик удаляется от нас со скоростью, которая у него должна быть согласно закону Хаббла, но внутри скопления каж­дая галактика еще как-то движется по отношению к цен­тру инерции скопления. Поэтому общая скорость галак­тики складывается из двух скоростей — общей согласно закону Хаббла для данного расстояния, т. е. для места данного скопления, и индивидуальной скорости по отно­шению к скоплению, в котором галактика находится.

Индивидуальным движением обладает каждая галак­тика, а не только член скопления. Поэтому общую кар­тину движений галактик лучше всего представлять себе так: все пространство Метагалактики изотропно расширя­ется и увлекает с собой находящиеся в нем галактики, В то же время каждая галактика имеет еще индивиду­альное движение, направление которого может быть любое — и от нас, и к нам, и в любую другую сторону.

Именно благодаря индивидуальным движениям спектры некоторых из самых близких галактик смещены не в красную, а в фиолетовую сторону, т. е. эти галактики к нам приближаются. У близких галактик удаление, вызванное расширением пространства, мало вследствие сравнительной малости расстояния, и эта скорость вполне может быть перекрыта индивидуальной скоростью, если последняя направлена к нам. У далеких же галактик скорость удаления, вызываемая расширением простран­ства, настолько велика, что влияние индивидуальной скорости становится незаметным.

В списке Местной системы галактик  7 галактик имеют отрицательную лучевую скорость, т. е. приближаются к нам. Однако необходимо учесть, что лучевые скорости мы определяем из Солнечной системы, которая сама движется со скоростью около 220 км/с в нашей Галактике. Поэтому чтобы получить скорость дру­гих галактик по отношению к нашей Галактике, а имен­но это и представляет интерес в рассматриваемом вопро­се, необходимо в полученные лучевые скорости внести поправки за скорость Солнца в Галактике.

Если это сделать, то окажется, что лучевая скорость у всех членов Местной системы сохранит знак. В част­ности, у шести членов Местной системы лучевая скорость останется отрицательной, хотя и уменьшится по абсолют­ной величине. Так, туманность Андромеды (NGC 224) действительно приближается к нашей Галактике со ско­ростью 143 км/с, a NGC 185 со скоростью 180 км/с. Исследование лучевых скоростей близких галактик показало, что индивидуальные скорости галактик, распо­ложенных вне скоплений, составляют в среднем 200— 300 км/с, а у галактик — членов некоторых плотных скоплений они больше и равны 400—600 км/с.

Величины красных смещений спектров указывают на очень большие скорости слабых далеких галактик. На­пример, для одной слабой галактики измеренное Минков-ским на Паломарской обсерватории значение Δƛ / ƛ оказа­лось равным 0,46. Следовательно, если применить формулу (1), то скорость удаления галактики будет рав­на 0,46 с или 138 000 км/с. Однако для таких больших скоростей формула (1) неверна. Она приближенно выра­жает закон Доплера лишь в том случае, когда υ очень мала в сравнении с с. Точная формула закона Доплера дается теорией относительности и имеет вид

υ / c = ((( Δƛ / ƛ)+1)2-1)/( (( Δƛ / ƛ)+1)2+1)                    (6)

   В случае очень малых Δƛ / ƛ эта формула сводится к равенству (1), а при не очень малых Δƛ / ƛ различие между формулами (1) и  (6) существенно. Если, например,  смещение длины волны окажется равным самой длине волны (что не невозможно), то по формуле (1) получа­ется предельная в природе скорость υ = с, а по верной  формуле (6) υ = (3/5)  с.  Согласно формуле (6) какие бы большие смещения спектров не наблюдались, скорость удаления меньше скорости света. Для упомянутой выше  галактики, имеющей красное смещение спектра Δƛ / ƛ = 0,46, по формуле (6) находим правильное значение υ = 0,36 с или 108000 км/с.

Теперь нам осталось сделать последний и важнейший, шаг в познании закона Хаббла. Нужно определить значение коэффициента пропорциональности H, связывающего в формуле (5) скорость удаления галактик с расстояни­ями до них. Коэффициент H является одной из основных мировых констант — он характеризует скорость расшире­ния мирового пространства.

История определения этого коэффициента изложена в следующих двух постах: «Построение шкалы внегалактических расстояний» и «Пересмотр шкалы внегалактических расстояний» .

 

Т.А.Агекян «Звезды, Галактики, Метагалактики» 1981 год. Издание третье, переработаное и дополненое

Приглашаем Вас обсудить данную публикацию на нашем форуме о космосе.

 

Источник: www.allkosmos.ru

Даже астрономы не всегда правильно понимают расширение Вселенной. Раздувающийся воздушный шар – старая, но хорошая аналогия расширения Вселенной. Галактики, расположенные на поверхности шара, неподвижны, но поскольку Вселенная расширяется, расстояние между ними возрастает, а размеры самих галактик не увеличиваются.

Скорость разбегания галактик

В июле 1965 г. ученые объявили об открытии явных признаков  расширения  Вселенной из более горячего и плотного исходного  состояния. Они  нашли  остывающее  послесвечение  Большого взрыва  –  реликтовое  излучение. С  этого момента расширение и охлаждение Вселенной  легло  в основу  космологии.  Космологическое расширение позволяет понять,  как формировались простые структуры и  как они постепенно развивались в  сложные. Спустя  75  лет  после  открытия расширения  Вселенной  многие ученые  не  могут  проникнуть  в его  истинный  смысл.  Джеймс Пиблз  (James  Peebles),  космолог из  Принстонского  университета,  изучающий  реликтовое  излучение,  писал  в  1993  г. :  «Мне кажется,  что  даже  специалисты не  знают,  каково  значение  и возможности  модели  горячего Большого  взрыва».

Известные физики,  авторы  учебников по  астрономии и популяризаторы науки порою дают неверную или искаженную трактовку расширения  Вселенной,  которое  легло в  основу модели Большого  взрыва. Что же мы имеем в виду, когда говорим,  что  Вселенная  расширяется? Несомненно, сбивает с толку то обстоятельство, что теперь говорят об ускорении  расширения,  и  это  ставит нас в тупик.

Что такое расширение?

Когда расширяется что-нибудь привычное,  например,  влажное  пятно или Римская империя, то они становятся  больше,  их  границы  раздвигаются,  и  они  начинают  занимать больший объем в пространстве. Но Вселенная, похоже, не имеет физических  ограничений,  и  ей  некуда двигаться. Расширение  нашей  Вселенной очень похоже на надувание воздушного шара.  Расстояния  до  далеких галактик  увеличиваются.  Обычно астрономы  говорят, что  галактики удаляются или убегают от нас, но не перемещаются в пространстве, как осколки  «бомбы Большого взрыва». В  действительности  расширяется пространство между нами и  галактиками,   хаотически движущимися внутри практически неподвижных скоплений.  Реликтовое  излучение заполняет Вселенную и служит системой отсчета, подобной резиновой поверхности  воздушного шара,  по отношению  к  которой  движение и  может быть измерено.

Находясь  вне  шара,  мы  видим, что расширение его искривленной двухмерной  поверхности  возможно  только  потому,  что  она  находится в  трехмерном пространстве. В  третьем измерении располагается  центр  шара,  а  его  поверхность расширяется  в  окружающий  его объем. Исходя из этого, можно было бы  заключить, что расширение нашего трехмерного мира требует наличия  у  пространства  четвертого измерения. Но согласно общей теории  относительности  Эйнштейна, пространство  динамично: оно может  расширяться,  сжиматься  и  изгибаться.

Дорожная пробка

Вселенная  самодостаточна.  Не требуются ни центр, чтобы расширяться  от него, ни  свободное  пространство  с  внешней  стороны  (где бы она ни находилась), чтобы  туда расширяться.  Правда,  некоторые новейшие теории, такие как теория струн,  постулируют  наличие  дополнительных  измерений,  но  при расширении  нашей  трехмерной Вселенной они не требуются.

В  нашей  Вселенной,  как  и  на поверхности воздушного шара, каждый  объект  отдаляется  от  всех  остальных.  Таким  образом,  Большой взрыв не был взрывом в пространстве, а  скорее это был взрыв самого пространства, который не произошел в  определенном месте и  затем не расширялся в окружающую пустоту.  Это  произошло  всюду  одновременно.

Если  представить,  что  мы  прокручиваем  киноленту  в  обратном порядке, то увидим, как все области Вселенной сжимаются, а галактики сближаются,  пока  не  столкнутся все  вместе  в  Большом  взрыве,  как автомобили в дорожной пробке. Но сопоставление тут не полное. Если бы  речь  шла  о  происшествии,  то вы могли бы объехать  затор,  услышав сообщения о нем по радио. Но Большой  взрыв  был  катастрофой, которую невозможно избежать. Это похоже  на  то,  как  если  бы  поверхность  Земли  и  все  дороги  на  ней смялись,  но  автомобили  оставались бы прежнего размера. В конце концов  машины  столкнулись  бы, и  никакое  сообщение по радио не помогло бы предотвратить это. Так же и Большой  взрыв: он произошел  повсеместно,  в  отличие  от взрыва бомбы, который происходит в  определенной  точке,  а  осколки разлетаются во все стороны.

Теория  Большого  взрыва  не дает  нам  информации  о  размере Вселенной  и  даже  о  том,  конечна она или бесконечна. Теория относительности описывает, как расширяется каждая область пространства, но  ничего  не  говорится  о  размере или форме. Иногда космологи заявляют, что Вселенная  когда-то была не больше  грейпфрута, но они имеют в виду лишь ту ее часть, которую мы сейчас можем наблюдать.

У обитателей туманности Андромеды  или  других  галактик  свои наблюдаемые  вселенные.  Наблюдатели, находящиеся  в  Андромеде, могут  видеть  галактики,  которые недоступны нам, просто из-за того, что они немного ближе к ним; зато они не могут созерцать те, которые рассматриваем  мы.  Их  наблюдаемая Вселенная тоже была размером с  грейпфрут.  Можно  вообразить, что ранняя Вселенная была похожа на  кучу  этих  фруктов,  безгранично  простирающуюся    во  всех  направлениях. Значит, представление о  том, что Большой взрыв был «маленьким», ошибочно. Пространство Вселенной  безгранично. И  как  его ни  сжимай,  оно  таковым  и  останется.

Быстрее света

Ошибочные представления бывают связаны и с количественным описанием  расширения.  Скорость,  с  которой  увеличиваются  расстояния между  галактиками,  подчиняется простой  закономерности,  выявленной американским астрономом Эдвином  Хабблом  (Edwin  Hubble) в  1929  г. :  скорость  удаления  галактики  v  прямо  пропорциональна его расстоянию от нас d, или v = Hd. Коэффициент  пропорциональности  H  называется  постоянной Хаббла и определяет скорость расширения  пространства  как  вокруг нас,  так и  вокруг  любого наблюдателя во Вселенной.

Некоторых сбивает с толку то, что не все галактики подчиняются закону  Хаббла.  Ближайшая  к  нам  крупная  галактика  (Андромеда)  вообще движется  к  нам,  а  не  от  нас.  Такие исключения  бывают,  поскольку  закон Хаббла описывает лишь среднее поведение  галактик.  Но  каждая  из них может иметь и небольшое собственное движение, поскольку галактики  гравитационно  воздействуют друг  на  друга,  как,  например,  наша Галактика и Андромеда. Отдаленные галактики также имеют небольшие хаотические скорости, но при большом расстоянии от нас (при большом значении d) эти случайные скорости ничтожно  малы  на  фоне  больших скоростей удаления (v). Поэтому для далеких  галактик  закон Хаббла  выполняется с высокой точностью.

Согласно  закону  Хаббла, Вселенная расширяется не с постоянной скоростью. Некоторые галактики удаляются от нас со скоростью 1  тыс.  км/с,  другие,  находящиеся вдвое  дальше,  со  скоростью  2  тыс. км/с,  и  т.д.  Таким  образом,  закон Хаббла указывает, что, начиная с некоторого расстояния, называемого хаббловским, галактики удаляются со  сверхсветовой  скоростью.  Для измеренного значения постоянной Хаббла  это  расстояние  составляет около 14 млрд. световых лет.

Но разве  частная  теория относительности  Эйнштейна  не  утверждает,  что никакой  объект не может иметь  скорость  выше  скорости света? Такой вопрос ставил в тупик многие поколения студентов. А ответ состоит  в  том,  что  частная  теория относительности применима лишь к «нормальным» скоростям  – к  движению  в  пространстве.  В  законе Хаббла речь идет о скорости удаления,  вызванного  расширением  самого пространства, а не движением в пространстве. Этот эффект общей теории относительности не подчиняется частной теории относительности. Наличие  скорости  удаления выше скорости света никак не нарушает  частную  теорию  относительности. По-прежнему верно, что никто не может догнать луч света.

Растяжение фотонов

Первые  наблюдения,  показывающие,  что  Вселенная  расширяется, были  сделаны между  1910  и  1930  г. В  лаборатории  атомы  испускают  и поглощают  свет  всегда  на  определенных длинах волн. То же наблюдается и  в  спектрах далеких галактик, но со смещением в длинноволновую область.  Астрономы  говорят,  что излучение  галактики  испытывает красное смещение. Объяснение простое: при расширении пространства световая волна растягивается и поэтому ослабевает. Если в течение того времени,  пока  световая  волна  дошла до нас, Вселенная расширилась вдвое,  то и длина  волны  удвоилась, а  ее энергия ослабла в два раза.

Процесс можно описать в терминах  температуры. Испускаемые  телом фотоны имеют распределение по энергии, которое в целом характеризуют температурой, указывающей, насколько тело горячее. Когда фотоны движутся в расширяющемся пространстве, они теряют энергию и их температура снижается. Таким образом,  Вселенная  при  расширении  охлаждается,  как  сжатый  воздух, вырывающийся из баллона аквалангиста. К примеру, реликтовое излучение сейчас имеет температуру около 3 К, тогда как оно родилось при  температуре около 3000 К. Но с того времени Вселенная увеличилась в размере в 1000 раз, а температура фотонов понизилась во столько же  раз. Наблюдая  газ  в  далеких галактиках,  астрономы  прямо  измеряют  температуру  этого излучения в далеком прошлом. Измерения подтверждают,  что  Вселенная  со временем охлаждается.

В связи между красным смещением и  скоростью  также  существуют некоторые противоречия. Красное смещение,  вызванное  расширением, часто путают с более знакомым красным  смещением,  вызванным эффектом Доплера, который обычно    делает  звуковые  волны  более длинными,  если  источник  звука удаляется. То же верно и для световых волн, которые становятся более длинными, если источник света отдаляется в пространстве.

Доплеровское  красное  смещение и  космологическое  красное  смещение  –  вещи  абсолютно  разные и  описываются  различными  формулами. Первая вытекает из частной теории относительности, которая не принимает  во  внимание  расширение пространства, а вторая следует из общей теории относительности. Эти две формулы почти одинаковы для близлежащих галактик, но различаются для отдаленных.

Согласно формуле  Доплера,  если скорость  объекта  в  пространстве приближается  к  скорости  света,  то его  красное  смещение  стремится к  бесконечности, а длина волны становится слишком большой и поэтому недоступной для наблюдения. Если бы это было верно для  галактик, то самые отдаленные видимые объекты на небе удалялись бы со скоростью, заметно меньшей скорости света. Но космологическая формула для красного смещения приводит к другому выводу.  В  рамках  стандартной космологической модели галактики с красным смещением около 1,5 (т.е. принимаемая длина волны их излучения на 50% больше лабораторного значения)  удаляются  со  скоростью света.  Астрономы  уже  обнаружили около 1000 галактик с красным смещением  больше  1,5.  А  значит,  нам известно около 1000 объектов,  удаляющихся быстрее  скорости  света. Реликтовое  излучение  приходит с  еще большего расстояния и имеет красное смещение около 1000. Когда горячая плазма молодой Вселенной испускала  принимаемое  нами  сегодня  излучение,  она  удалялась  от нас почти в 50 раз быстрее скорости света.

Бег на месте

Трудно поверить, что мы можем видеть галактики, движущиеся быстрее скорости света, однако это возможно из-за изменения скорости расширения.  Вообразите  луч  света,  идущий к  нам  с  расстояния  большего,  чем расстояние Хаббла  (14 млрд.  световых лет). Он движется к нам со скоростью  света  относительно  своего местоположения, но само оно удаляется от нас быстрее скорости света. Хотя свет устремляется к нам с максимально возможной скоростью, он не может  угнаться  за  расширением пространства.  Это  напоминает  ребенка, пытающегося бежать в обратную сторону по эскалатору. Фотоны на хаббловском расстоянии перемещаются с максимальной скоростью, чтобы оставаться на прежнем месте.

Можно подумать, что свет из областей,  удаленных дальше расстояния Хаббла, никогда не сможет дойти до нас и мы его никогда не  увидим. Но расстояние  Хаббла  не  остается  неизменным,  поскольку  постоянная Хаббла, от которой оно зависит, меняется  со  временем.  Эта  величина пропорциональна скорости разбегания двух галактик, деленной на расстояние между ними. (Для вычисления можно использовать любые две галактики.)  В  моделях  Вселенной, согласующихся с астрономическими наблюдениями,  знаменатель  увеличивается быстрее числителя, поэтому постоянная Хаббла уменьшается. Следовательно,  расстояние  Хаббла растет. А раз так, свет, который первоначально не достигал нас, может со временем оказаться в пределах хаббловского расстояния. Тогда фотоны окажутся  в  области,  удаляющейся медленнее скорости света, после чего они смогут добраться до нас.

Однако  галактика,  пославшая свет,  может  продолжать  удаляться со сверхсветовой скоростью. Таким образом, мы можем наблюдать свет от галактик, которые, как и прежде, всегда будут удаляться быстрее скорости  света.  Одним  словом,  хаббловское  расстояние  не  фиксировано  и  не  указывает  нам  границы наблюдаемой Вселенной.

А  что  в  действительности  отмечает  границу  наблюдаемого  пространства?  Здесь  тоже  происходит некая путаница. Если бы пространство  не  расширялось,  то  самый отдаленный  объект  мы  могли  бы наблюдать  теперь  на  расстоянии около 14 млрд. световых лет от нас, т.е.  на  расстоянии,  которое  свет преодолел  за 14 млрд. лет, прошедших с момента Большого взрыва. Но поскольку Вселенная расширяется, пространство,  пересеченное  фотоном,  расширилось  за  время  его пути. Поэтому  текущее расстояние до самого удаленного из наблюдаемых объектов примерно втрое больше  – около 46 млрд. световых лет.

Раньше космологи думали, что мы живем в замедляющейся Вселенной и  поэтому  можем  наблюдать  все больше и  больше  галактик. Однако в  ускоряющейся  Вселенной мы  отгорожены  границей,  вне  которой никогда  не  увидим  происходящие события  –  это  космический  горизонт событий. Если свет от галактик, удаляющихся быстрее скорости света, достигнет нас, значит, расстояние Хаббла  увеличится.  Но  в  ускоряющейся Вселенной его увеличение запрещено. Удаленное событие может послать луч света в нашем направлении, но этот свет навсегда останется за пределом расстояния Хаббла из-за ускорения расширения.

Как  видим,   ускоряющаяся Вселенная  напоминает  черную дыру,  тоже имеющую  горизонт  событий,  извне  которого  мы  не  получаем  сигналов.  Нынешнее  расстояние  до  нашего  космического горизонта событий (16 млрд. световых лет) целиком лежит в пределах нашей наблюдаемой области. Свет, испущенный  галактиками, находящимися сейчас дальше космического  горизонта  событий,  никогда  не сможет достигнуть нас, т.к. расстояние, которое сейчас соответствует 16 млрд. световых лет, будет расширяться слишком быстро. Мы сможем увидеть  события,  происходившие в  галактиках прежде, чем они пересекли горизонт, но о последующих событиях мы не узнаем никогда.

Во Вселенной расширяется все?

Люди  часто  думают,  что  если  пространство  расширяется,  то  и  все в  нем тоже расширяется. Но это неверно. Расширение как таковое (т.е. по инерции, без  ускорения или  замедления) не производит никакой силы. Длина волны фотона увеличивается вместе с ростом Вселенной, поскольку в отличие от атомов и  планет фотоны не связанные объекты, размеры которых определяются равновесием сил. Изменяющаяся скорость расширения действительно вносит новую силу в равновесие, но и она не может заставить объекты расширяться или сжиматься.

Например,  если  бы  гравитация  стала  сильнее,  ваш  спинной мозг  сжался  бы,  пока  электроны в  позвоночнике не достигли бы нового  положения  равновесия,  чуть ближе друг к другу. Ваш рост немного уменьшился бы, но сжатие на этом прекратилось бы. Точно так же, если бы мы жили во Вселенной с преобладанием  сил  тяготения,  как  еще несколько  лет  назад  считало  большинство космологов, то расширение замедлялось бы, а на все тела действовало бы  слабое  сжатие,  заставляющее их достигать меньшего равновесного размера. Но, достигнув его, они бы больше не сжимались.

Фактически же расширение  ускоряется,  что  вызвано  слабой  силой, «раздувающей»  все  тела.  Поэтому связанные  объекты имеют размеры немного больше, чем были бы в неускоряющейся  Вселенной,  поскольку равновесие  сил  достигается  у  них при немного большем размере. На поверхности Земли ускорение, направленное  наружу,  от  центра  планеты, составляет  мизерную  долю  ($10^{–30}$) нормального гравитационного ускорения к центру. Если это  ускорение неизменно, то оно не заставит Землю расширяться.  Просто  планета  принимает чуть больший размер, чем он был бы без силы отталкивания.

Но все изменится, если ускорение не постоянно, как полагают некоторые космологи. Если отталкивание увеличивается, то это может в конце концов вызвать разрушение всех структур  и  привести  к  «Большому разрыву»,  который    произошел  бы не из-за расширения или ускорения как  такового,  а потому что  ускорение ускорялось бы.

По мере того как новые точные измерения помогают космологам лучше понять расширение и ускорение, они могут  задаться  еще  более фундаментальными вопросами о самых ранних  мгновениях  и  наибольших масштабах  Вселенной.  Чем  было вызвано  расширение?  Многие  космологи считают, что в этом виноват процесс,  называемый  «инфляцией» (раздуванием),  особый  тип  ускоряющегося расширения. Но возможно, это  лишь  частичный  ответ:  чтобы она началась, похоже, Вселенная уже должна  была  расширяться.  А  что относительно  наибольших  масштабов  за пределом наших наблюдений? Расширяются ли разные части Вселенной по-разному, так, что наша Вселенная – это  всего лишь  скромный инфляционный пузырь в гигантской сверхвселенной? Никто не знает. Но мы надеемся, что со временем мы  сможем  прийти  к  пониманию процесса расширения Вселенной.


ОБ АВТОРАХ:
Чарльз  Линевивер  (Charles  H. Lineweaver)  и  Тамара Дэвис (Tamara M. Davis) – астрономы из австралийской обсерватории Маунт-Стромло. В начале 1990-х гг. в Калифорнийском университете в Беркли Линевивер входил в группу ученых, открывших с  помощью  спутника  COBE  флуктуации реликтового  излучения.  Он  защитил диссертацию не  только по астрофизике,  но  и  по  истории  и  английской литературе.  Дэвис  работает  над созданием  космической  обсерватории  Supernova/Acceleration  Probe (Исследователь  сверхновых  звезд и  ускорения).


ЗАМЕЧАНИЯ К СТАТЬЕ «ПАРАДОКСЫ БОЛЬШОГО ВЗРЫВА»
Профессор Засов Анатолий Владимирович, физ. ф-т МГУ: Все недоразумения, с которыми спорят авторы статьи, связаны с тем, что для наглядности чаще всего рассматривают расширение ограниченного объема Вселенной в жесткой системе отсчета (причем расширение достаточно маленькой области, чтобы не учитывать разность хода времени на Земле и на далеких галактиках в земной системе отсчета). Отсюда представление и о взрыве, и о доплеровском смещении, и распространенная путаница со скоростями движения. Авторы же пишут, и пишут правильно, как все выглядит в неинерциальной (сопутствующей) системе координат, в которой обычно работают космологи, хотя в статье прямо не говорится об этом (в принципе, все расстояния и скорости зависят от выбора системы отсчета, и здесь всегда есть некий произвол). Единственно, что написано нечетко, так это то, что не определено, что же в расширяющейся Вселенной понимается под расстоянием. Сначала у авторов это скорость света, умноженная на время распространения, а далее говорится, что необходим  еще учет расширения, которое удалило галактику еще больше, пока свет был в пути. Таким образом, расстояние уже понимается как скорость света, умноженная на время распространения, которое он потратил бы, если бы галактика перестала удаляться и излучила свет сейчас. В действительности все сложнее. Расстояние – величина модельно зависимая и непосредственно из наблюдений не получаемая, поэтому космологи без него прекрасно обходятся, заменяя красным смещением. Но может быть, более строгий подход здесь и неуместен.

Источник: www.modcos.com


You May Also Like

About the Author: admind

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. Узнайте, как обрабатываются ваши данные комментариев.