Теория «Большого взрыва»

5 Янв 2015 | Автор: | Комментариев нет »

Первым событием глобального масштаба в экспериментальной космо­логии было открытие в 1929 году американским астрономом Эдвином Хабб-лом так называемого «красного смещения» в спектрах галактик. Э.Хаббл об­наружил, что чем больше расстояние до галактик, тем сильнее спектральные линии излучения этих галактик смещаются в красную область светового спек­тра. Согласно эффекту Доплера, это означало, что все галактики удаляются от пас со скоростями прямо пропорциональными расстоянию до них. Этот факт недвусмысленно говорил о том, что Вселенная расширяется как единое целое. Попытки иного объяснения природы красного смещения к успеху не привели и ученые в большинстве своем признали, что Вселенная расширяется. Признание этого факта логически ведет к заключению о том, что расширение должно было начаться когда-то в прошлом, и в этот начальный момент все вещество должно было находиться в сверхплотном состоянии. Так как при сжатии вещество на­гревается, следовательно, температура на начальном этапе развития Вселенной должна быть очень высокой, а первые мгновения этого начального этапа долж­ны напоминать гигантский взрыв.

Исходя из этих предпосылок, американский физик Георгий Гамов создает так называемую модель горячей Вселенной, которая получила также название теории Большого взрыва. Согласно этой теории наша вселенная возникает в ре­зультате гигантского взрыва примерно 20 млрд. лет назад. В результате этого взрыва в конечном итоге возникли галактики, звёзды, планеты и другие косми­ческие объекты, которые сейчас продолжают разлетаться от эпицентра взрыва, удаляясь друг от друга. В 1948 году Г.Гамов публикует статью, в которой ут­верждает, в частности, что на ранних этапах расширения Вселенной должно было излучаться огромное количество энергии в микроволновом диапазоне электромагнитного излучения. Его температура должна была по расчётам со­ставлять несколько градусов по шкале Кельвина, то есть, лишь немногим отли­чаться от абсолютного нуля.

Теорию Г.Гамова пытались проверить экспериментально, наблюдая за излучением звёздного неба, однако к успеху эти попытки не привели - требова­лась очень высокая точность калибровки антенн. Такие антенны учёные уже начали было разрабатывать, однако, в 1964 году их опередили сотрудники аме­риканской фирмы Ве11 Арно Пензиас и Роберт Вильсон. Испытывая новую ру­порную антенну, они случайно обнаруживают излучение непонятной природы. Оно было изотропным и совершенно не меняло интенсивности при повороте антенны. Неизменное по параметрам излучение исходило из любой точки неба. Только через год после обнаружения было установлено, что это то самое «ре­ликтовое» излучение, которое предсказал Г.Гамов. За это открытие в 1978 году А.Пензиас и Р.Вильсон получили Нобелевскую премию.

Благодаря обнаружению «реликтового» излучения в начале 70-х годов теория расширяющейся Вселенной одерживает окончательную победу над сво­им главным конкурентом - теорией стационарной Вселенной, утверждавшей, что наблюдаемый процесс разрежения вещества во Вселенной (это видно по красному смещению галактик), компенсируется его постоянным производством из вакуума - как бы «творением» из ничего. Теория стационарной Вселенной «реликтовое» излучение не предсказывала и удовлетворительного объяснения дать ему не могла.

Остановимся подробнее на основных этапах развития Вселенной, попы­таемся восстановить, опираясь на последние достижения современной физики, последовательность событий в истории нашей Вселенной.

Согласно теории Большого взрыва Вселенная возникла из сингулярно­сти - особого состояния материи с удивительными свойствами. Примерно два­дцать миллиардов лет назад, в момент предшествовавший Большому взрыву размеры нашей Вселенной составляли около 10' см (размеры), плотность вещества в ней была приблизительно 10й г/см3, а температура превышала 1013 К. Современная физика пока ещё не разработала теории, способных описать по­добные состояния вещества. Поэтому в настоящий момент бессмысленно рас­суждать о том, что было до этой сингулярности, и сколько времени она дли­лась. Единственным достоверным фактом является то, что она взорвалась. Что касается причин взрыва, для науки это также пока загадка.

Через 0,01 с после взрыва температура Вселенной упала до 1011 К. При такой температуре атомы и молекулы вещества существовать не могут - Все­ленную наполняли одни лишь элементарные частицы. Через 3 минуты темпера­тура Вселенной понизилась до 10 К. В этот момент созрели условия для обра­зования вещества - возникли ядра атомов водорода и гелия. После этого мо­мента наступил довольно длительный период, занявший примерно 700000 лет, в течение которого Вселенная расширялась без особых изменений до тех пор, пока ядра атомов водорода и гелия не соединились со свободными электронами и не образовали нормальные нейтральные атомы газов водорода и гелия. Имен­но в эту эпоху формируется наблюдаемое нами "реликтовое" излучение. К ска­занному можно добавить, что радиус Вселенной составлял тогда около 15 млн. св. лет.

После возникновения водорода и гелия наступает так называемая "звезд­ная эпоха". В действие вступает сила тяготения, отныне преобладающая над всеми другими типами физического взаимодействия. Частицы газа, наполняю­щие Вселенную, начинают притягиваться друг к другу, и постепенно воз­никают галактики, звезды и планеты

Примерно через 15 млрд. лет после Большого взрыва формируется меж­звездное облако, которое дало начало Солнечной системе. В результате его сжатия в течение 400 млн. лет возникают планеты, и в том числе Земля. Через 17 млрд. лет после Большого взрыва на Земле появляются первые микроорга­низмы, и, тем самым, начинается этап биологической эволюции, который при­водит, наконец, к возникновению человека Homo Sapiens.

Таковы, согласно расчётам современной физики, временные рамки ос­новных этапов эволюции Вселенной. Перейдём теперь к рассмотрению эволю­ции крупномасштабной структуры Вселенной. Выясним, в результате каких процессов возникли галактики, звезды и планеты.

После того, как в ходе эволюции Вселенной образовалось вещество -атомы водорода и гелия, первичные неоднородности плотности (которые неиз­бежны в любом физическом процессе) в гигантском протогалактическом газо­вом облаке начали расти. Под действием силы тяжести эти неоднородности пе­рестают расширяться вместе с остальной Вселенной. Достигнув определённого максимума размеров, они начинают сжиматься, так, постепенно формируется газовое облако. Силы тяготения ускоряют сжатие, оно переходит в сверхзвуко­вой режим, в котором неизбежно появление множества турбулентных завихре­ний, Затем образуются турбулентные ячейки - происходит процесс дефрагментации газового облака. Из фрагментов постепенно формируются галактики. Согласно вычислениям массы этих фрагментов должны составлять не более 1 трлн. масс Солнца, а размер не более 150 000 св. лет. Эти данные хорошо со­гласуются с современными данными о количестве вещества в галактиках и об их размерах.

Фрагменты протогалактического газового облака, постепенно охлажда­ясь, подвергались дальнейшей весьма быстрой фрагментации. Теперь газовые фрагменты становятся уже достаточно плотными слабо светящимися газовыми шарами, и их дальнейшее сжатие под действием сил тяготения приводит к по­степенному разогреванию до очень высоких температур, при которых включа­ются термоядерные реакции синтеза. В итоге во Вселенной появляются звёзды, объединённые в гигантские вращающиеся скопления - галактики. Обобщая ска­занное, можно заключить, что, согласно современным представлениям, из пер­вичных фрагментов протогалактического облака возникают скопления галак­тик, а из вторичных - сами галактики.

Астрономические наблюдения подтверждают данную гипотезу возникно­вения галактик. Вселенная, согласно наблюдениям имеет ячеистую структуру, галактики в ней распределены очень однородно. На сегодняшний день астро­номами насчитывается около 10 млрд. галактик. Галактики кроме звезд содер­жат также межзвездный газ и космическую пыль. По форме выделяют спираль­ные, эллиптические и неправильные галактики. Наша галактика - Млечный путь относится к классу спиральных и имеет два рукава, выходящие из ядра- По форме она напоминает диск с утолщением в центре (гало).

Рассмотрим процесс эволюции звезд - это следующий за галактиками уровень организации материи во Вселенной. Первая стадия жизни звезды на­поминает солнечную - в ней преобладают термоядерные реакции водородного цикла. Температура звезды определяется ее массой и степенью гравитационно­го сжатия, которому противостоит главным образом световое давление. По ме­ре выгорания водорода в центре звезды, ее гелиевое ядро остывает, а зона про­текания реакции синтеза перемещается на периферию. Звезда "разбухает", по­глощая планеты, вращающиеся вокруг неё, и остывает. Так возникают красные гиганты.

Дальнейшее сжатие звёздного ядра поднимает его температуру до за­жигания реакций гелиевого цикла. Водородная оболочка постепенно рассеива­ется, образуя звездную туманность, а сильно сжатое ядро раскаляется до вы­соких температур, соответствующих свечению бело-голубым светом, в итоге возникает "белый карлик". По мере выгорания топлива звезда гаснет, превра­щаясь в холодного "черного карлика" - характерный итог эволкщии большин­ства звезд с массой, порядка солнечной.

Более массивные звезды (М>1,2М,) на этапе превращения в белого карлика теряют водородную оболочку в результате мощного взрыва, сопрово­ждающегося многократным увеличением светимости - это так называемые "сверхновые звезды". После выгорания их ядер сил давления в плазме оказы­вается недостаточно для компенсации 1равитационных сил. В результате уплотнения вещества электроны "вдавливаются" в протоны с образованием ней­тральных частиц. Возникает нейтронная звезда - компактное, радиусом в не­сколько километров, и массивное образование, вращающееся с фантастически высокой для космических объектов скоростью - около одного оборота в секун­ду. Вращающееся вместе со звездой его магнитное поле посылает в простран­ство узконаправленный луч электромагнитного (часто - рентгеновского) излу­чения, действуя подобно маяку. Источники мощного периодического излуче­ния, открытые в радиоастрономии, получили название пульсаров.

Звезды с массой, превосходящей массу Солнца более чем в два раза, обладают столь сильным гравитационным нолем, что на стадии нейтронной звезды их сжатие не останавливается. В результате дальнейшего неограничен­ного сжатия - гравитационного коллапса звезда уменьшается до таких разме­ров, что скорость, необходимая для ухода тела с ее поверхности превышает предельную то есть, скорость света. При этом ни одно тело (даже свет) не может покинуть непрерывно сжимающуюся звезду, представляющую собой "черную дыру", размерами всего в несколько километров. Астрономические наблюдения их затруднены, поскольку такие объекты не излучают свет. Однако обнаружены звезды, совершающие движение, характерное для компонент двойных звезд, хотя парной звезды не наблюдается. Весьма вероятно, что ее роль играет черная дыра или не излучающая нейтронная звезда.

Помимо перечисленных обнаружен ряд астрофизических объектов, свойства которых не укладываются в приведенные схемы - квазары. Наблю­даемое их излучение аналогично пульсарному, но очень сильно смещено в красную область. Величина красного смещения указывает на то, что квазары находятся так далеко, что их наблюдаемая яркость соответствует излучению, превосходящему по интенсивности излучения галактического скопления. В то же время наличие быстрых изменений интенсивности ставит вопрос о меха­низме согласования излучения элементами системы, размеры которой должны составлять тысячи световых лет.

Происхождение Солнечной системы и планеты Земля для космологии до сих пор является серьёзной проблемой. Механизм и детали этого процесса пока ещё не выявлены. Нам известно гораздо больше о происхождении и эволюции далёких галактик и звёзд, нежели о космических телах, находящихся от нас в непосредственной близости (разумеется, по космическим масштабам). Гипотез, объясняющих происхождение Солнечной системы и нашей планеты, было предложено немало, но всё же ни одну из них нельзя признать до конца удовле­творительной. Тем не менее, давайте рассмотрим некоторые из них, наиболее правдоподобные и доказательные.

Самая первая научная гипотеза была предложена ещё в 18 веке немецким философом И.Кантом и французским математиком П.Лапласом. Оба они исхо­дили из предположения о том, что Солнечная система возникла из газопылевого облака. Их теории, правда, имели отличия. Если Кант считал, что первона­чально облако было холодным и состояло из космической пыли, то Лаплас предполагал, что туманность состояла из горячего газа, вращающегося с очень высокой скоростью Под действием силы тяготения туманность сжималась во­круг своего центра, а центробежные силы приводили к последовательному от­делению от центрального облака ряда колец, из которых постепенно, в резуль­тате конденсации, образовались планеты. Центральное же облако породило Солнце. Эта гипотеза была общепризнанной среди астрономов вплоть до нача­ла XX века. Однако, при всей своей убедительности, она имела и серьёзный не­достаток - не могла удовлетворительно объяснить разность в распределении момента количества движения между Солнцем и планетами.

В первой трети XX века появляется оригинальная гипотеза Джинса, кото­рая была противоположной гипотезе Канта-Лапласа. Джине исходил из того, что Солнце возникло гораздо раньше планет и первоначально не имело вокруг себя облака газа. Однако, в результате прохождения вблизи Солнца массивной звезды под действием мощных приливных сил с поверхности Солнца отделяет­ся гигантская струя раскалённого газа и остаётся в его сфере притяжения. Затем из этого вещества, в результате конденсации формируются планеты.

В 1944 году советский учёный О.Ю.Шмидт предлагает новую гипотезу возникновения Солнечной системы. Он предположил, что планеты, в том числе и Земля, возникли из вещества, захваченного Солнцем в сферу своего притяже­ния при прохождении им плотной газопылевой туманности. Как и в гипотезе Джинса предполагалось, что Солнце существовало задолго до того, как начался процесс образования планет. Гипотеза Шмидта по сравнению с другими гипо­тезами имела то преимущество, что прекрасно объясняла распределение мо­мента количества движения в Солнечной системе. Идеи Шмидта в 1961 году были развиты английским космологом Литтлтоном, который внёс в эту гипоте­зу ряд усовершенствований.

Здесь вы можете написать комментарий

* Обязательные для заполнения поля
Все отзывы проходят модерацию.
Навигация
Связаться с нами
Наши контакты

vadimmax1976@mail.ru

8-908-07-32-118

8-902-89-18-220

О сайте

Magref.ru - один из немногих образовательных сайтов рунета, поставивший перед собой цель не только продавать, но делиться информацией. Мы готовы к активному сотрудничеству!