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

Большой взрыв, эволюция Вселенной и Темные сущности.

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


      1. Красное смещение, расширение и возраст Вселенной.
      В начале прошлого века было обнаружено смещение спектральных линий химических элементов в достаточно удаленных галактиках в красную часть спектра. Это смещение может быть обусловлено двумя причинами - эффектом Допплера и гравитацией. Второй вариант в силу слабой концентрации масс в галактиках (кроме малых окрестностей сверхмассивных черных дыр) не может быть главным. А первый означает, что достаточно удаленные галактики "убегают" от нас. С тем большей скоростью, чем дальше они от нас.
      Это разбегание галактик описывается закономерностью, предложенной Хабблом:

                                                              V = H * R,

где V - скорость удаления галактики от нас (км/сек), H - постоянная Хаббла (км/сек/Мпк ~ 1/сек), R - расстояние до галактики (Мпк), Мпк (мегапарсек) = 3,26 млн. св. лет. По последним наблюдательным данным Н = 72 км/сек/Мпк с погрешностью не более плюс-минус 3 км/сек/Мпк.
      Если эту закономерность применить к ближайшей к нам крупной галактике - туманности Андромеды, удаленной от нас на ~ 0,7 Мпк, то она должна будет удаляться от нас со скоростью ~ 50 км/сек. На самом деле она приближается к нашей Галактике со скоростью чуть больше 100 км/сек. Это объясняется тем, что в группах и скоплениях галактик хаотические скорости последних должны быть не меньше нескольких сотен км/сек с тем, чтобы противостоять гравитационному самосжатию групп и скоплений. Поэтому установленная Хабблом закономерность удовлетворительно начинает работать для галактик, удаленных от нас на два-три десятка мегапарсек (60-100 млн. св. лет). И чем дальше от нас наблюдаемая галактика, тем с большей точностью выполняется закон Хаббла.
      Если предположить, что постоянная Хаббла не изменяется со временем, то из линейной экстрапляции закона Хаббла в прошлое следует, что был момент времени, когда плотность материи во Вселенной была бесконечной. Другими словами, имело место рождение Вселенной . Легко видеть, что размерность постоянной Хаббла есть [1/сек]. Естественно предположить, что момент рождения Вселенной отстоит в прошлое от нашего времени на величину Т = 1 / Н. И если перевести мегапарсеки в километры (1 Мпк = 3,1 * 10**19 км), а секунды в года (1 год = 3,15 * 10**7 секунд), то нетрудно видеть, что Т = 1 / Н ~ 13,7 млрд. лет. Это и должно быть возрастом Вселенной. Разумеется, с некоторой погрешностью. И, действительно, по современным представлением возрастом Вселенной считается 13,8 млрд. лет с погрешностью порядка 20 млн лет.

      2. Реликтовое излучение.
      Вселенную помимо наблюдаемого вещества заполняет еще и электромагнитное излучение. Спектр его (распределение энергии излучения по длинам волн) тепловой и соответствует температуре ~ 2,72 градуса Кельвина (максимум интенсивности на длине волны около 1,9 миллиметра). Поскольку вглубь времен Вселенная была заметно компактнее, температура этого излучения в прошлом должна быть заметно выше. И чем глубже в прошлое, тем выше была бы эта температура.
      Расчеты показывают, что примерно 380 тысяч лет с момента рождения Вселенной температура этого излучения была такой, что энергия большей части его фотонов была достаточна для ионизации атомов водорода. Из чего следует, что еще ближе к моменту рождения Вселенной она представляла из себя смесь протонов, нейтронов, электронов и фотонов с малой примесью альфа-частиц (ядер гелия). А нейтральных атомов водорода и гелия практически не было. Как не было и атомов других элементов таблицы Менделеева.
      По описанным выше причинам это излучение, практически однородно и изотропно заполняющее ныне Вселенную, называют реликтовым.

      3. Гипотеза Большого взрыва.
      С учетом изложенного выше мы понимаем, что чем ближе к моменту рождения Вселенной, тем выше энергия заполняющих ее частиц. Другими словами - тем выше температура заполняющего ее вещества. И если в эпоху до ~ 380 тысяч лет с момента рождения Вселенной заполняющее ее вещество уже представляло собой плазму практически без нейтральных атомов, то чем ближе к моменту рождения Вселенной, тем выше была температура этой плазмы.
      Расчеты показывают, что при приближении к моменту ~ 0,01 сек от рождения Вселенной температура этой плазмы (энергия составляющих ее частиц) достигала величин, сопоставимых с энергией связи кварков в протонах и нейтронах. Откуда следует, что в "эпоху" более близкую к моменту рождения Вселенной последняя представляла из себя чрезвычайно плотную и горячую кварк-глюонную кашу.
      Более близкие к моменту рождения Вселенной "эпохи" мы обсуждать не будем. Поскольку однозначно заслуживающих доверие теорий об этих "эпохах" нет. Да и экспериментально или в наблюдениях существующие теории проверить невозможно.
      В целом описанную выше эволюцию Вселенной принято называть Большим взрывом.

      4. Гипотеза темных материи и энергии.
      На предыдущем занятии мы уже обсуждали сформулированную еще в 1930-х проблему скрытой массы. Состоящую в том, что наблюдаемого астрономами вещества в галактиках и их скоплениях явно не достаточно для объяснения наблюдаемых скоростей движения звезд и газа в тех же галактиках и их скоплениях.
      Несмотря на некоторый прогресс в решении этой проблемы (учет масс горячих и холодных облаков газа, масс звезд, излучающих в основном в частех спектра. для которых земная атмосфера непрозрачна, оценку масс разного типа черных дыр и других факторов) однозначного решения этой проблемы пока не произошло. И в ближайшем будущем вряд ли произойдет. В этих условиях в 1980-х проблема скрытой массы была переформулирована в гипотезу о существовании во Вселенной неких темной материи и темной энергии (ТМ и ТЭ).
      За прошедшее после рождения этой гипотезы время никаких конкретных результатов в обнаружении ТМ и ТЭ не было получено. Хотя обосновывающих существование ТМ и ТЭ гипотез и теорий создано было не мало. Для проверки которых было проведено и множество экспериментов и наблюдений. Вплоть до экспериментов по поиску неких частиц, практически не взаимодействующих с обычным веществом (так называемых ВИМПов).
     Честно признаться, к идее существования ТМ и ТЭ отношусь с большим скепсисом. Ибо история с ними напоминает мне историю со светоносным эфиром. Придуманном еще в начале 18-го века. В те времена любые волны по понятиям тогдашних физиков обязательно должны были распространяться в некоей субстанции, а не в вакууме. И, следовательно, измеряемая наблюдателем скорость света, как электромагнитной волны, должна зависеть от того, с какой скоростью этот наблюдатель движется относительно такой субстанции - светоносного эфира.
      К концу 1880-х техника эксперимента уже позволяла определить известную по другим измерениям разность скоростей Земли относительно светоносного эфира на противоположных точках диаметра ее орбиты вокруг Солнца (она ~ 60 км/сек). И начиная с опыта Майкельсона-Морли (1887) эксперименты с увеличивающейся год от года точностью показывали что скорость света не зависит от скорости движения наблюдателя относительно светоносного эфира. Так физики избавились от умопомрачения придуманной ими же избыточной сущностью - светоносным эфиром. О чем их предупреждал еще средневековый монах-философ Оккам (бритва Оккама).
      История с идеей ТМ и ТЭ скоро не не закончится. И как она закончится - пока не ясно. Но с борьбой идей, концепций и доказательств данными наблюдений существования или не существования ТМ и ТЭ вы можете подробно ознакомиться в постах в моем блоге по метке "Темная материя" (их там около десятка).

Tags: Астрономия-11
Subscribe

Recent Posts from This Journal

  • Чем могу быть полезен?

    Еще Козьма Прутков говаривал: Специалист подобен флюсу, полнота его одностороння. К середине 1980-х я тоже стал подобен флюсу, что было…

  • О возможной реформе рубрикации Главной в ЖЖ.

    Первые семь лет жизни в ЖЖ на Главную не заходил ни разу. Но с год назад начал. Просматриваю раз в полторы-две недели заголовки и первые строки…

  • Кого и как кормят волгоградцы?

    Когда нам сообщают о сотнях миллиарднов собранных налогов с точностью до последней тысячи, то наши мозги эту информацию просто не воспринимают. Ибо…

promo moralg december 21, 14:02 116
Buy for 20 tokens
Наше поколение неплохо учили логике развития истории стран и народов. На вполне конкретных примерах. Пусть и под соусом марксизма-ленинизма. И вот прочитал новость, от которой стало очень даже тревожно... Доля жителей России, которые уверены в особой роли русского народа в мировой истории,…
  • Post a new comment

    Error

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