АСТРОНОМІЯ - Навчальний посібник для профільної школи 2017

Частина 2. Основи астрономії

Розділ IV. Елементи космології

Тема 4.1. Всесвіт як цілісне середовище життя

§ 29. Всесвіт як ціле

Вступ

Людину здавна цікавить будова Всесвіту, але тільки наприкінці 20-х років минулого століття із появою позагалактичної астрономії це питання набуло на тлі міфологічних та суто філософських уявлень наукового змісту.

Цілі вивчення § 29

Вивчивши матеріал цього параграфа, Ви будете:

• знати й розуміти космологічні парадокси та принципи; загальноприйняті моделі походження й розвитку Всесвіту; основи теорії Великого Вибуху; спостережні дані, які підтверджують теорію Великого Вибуху; внесок Г. Гамова в космологію;

• уміти описати розвиток уявлень про Всесвіт;

• оцінювати світоглядне значення сучасних уявлень по будову Всесвіту та його еволюцію.

Актуалізація раніше набутих знань / компетентностей

Треба повторити матеріал § 27 (Типи галактик) і § 28 (Великомасштабна структура Всесвіту), а також матеріал з курсу фізики про закон всесвітнього тяжіння і загальну теорію відносності.

Методичні поради щодо опанування навчального матеріалу

Важливо розуміти: коли в астрономії, зокрема в космології, говорять про Всесвіт як ціле, то мають на увазі не весь матеріальний світ, а тільки певну його частину (зазвичай ту, що доступна спостереженням). Зверніть увагу на те, що в основі багатьох космологічних моделей лежить загальна теорія відносності, розроблена А. Айнштайном.

Всесвіт як ціле вивчає окремий розділ астрономії — космологія (нині її інколи позиціонують як окрему науку на «перетині» астрономії, фізики й математики). Витоки космології знаходять у давніх міфах і легендах, філософських вченнях і навіть релігійних віруваннях. Суто наукова космологія бере початок від часу створення (1916) А. Айнштайном загальної теорії відносності.

Особливість космології полягає в тому, що Всесвіт — її предмет дослідження — розглядають як єдине ціле, тобто систему з певними властивостями. Причому вони не є сумою властивостей астрономічних об’єктів і фізичних полів, що входять до його складу. Зрозуміло, що ми перебуваємо всередині цієї системи й не маємо змоги спостерігати її зовні, як і порівнювати наш всесвіт з іншими, бо таких ми досі не спостерігаємо.

1. Розвиток уявлень про Всесвіт. Вже давньогрецькі філософи висловили низку геніальних здогадок про будову Всесвіту. Наприклад, про те, що Земля, як і Сонце, обертається навколо якогось гігантського небесного вогнища чи про те, що Земля має форму кулі (Парменід, VI—V ст. до н.е.) й обертається навколо своєї осі (Гераклід Понтійський, V—IV ст. до н.е.) тощо.

Французький філософ і вчений Рене Декарт (1596—1650) створив теорію вихорів — космогонічну гіпотезу, згідно з якою Сонце та інші зорі занурені в певну сібстанцію — ефір. Обертання Сонця надає обертального руху прилеглому до нього ефіру, і цей рух поширюється на весь космічний простір. Для XVII ст. ідея Р. Декарта була новаторською, хоча й помилковою.

Видатний англійський фізик Ісаак Ньютон (1642—1727) на підставі геліоцентричної системи світу М. Коперника та законів Кеплера сформулював закон всесвітнього тяжіння, що пояснив причини руху небесних тіл. Фактично Ньютон створив першу наукову модель Всесвіту, яку називають механістичною картиною світу — в її основі лежать закони механіки.

Великий німецький учений, філософ Іммануїл Кант (1724—1804) створив першу універсальну концепцію еволюційного нескінченного Всесвіту. Він обґрунтував можливість виникнення такого Всесвіту винятково під дією механічних сил притягання й відштовхування та намагався з’ясувати подальшу долю такого Всесвіту на всіх його масштабних рівнях — від планетної системи до світу туманностей. Кант вважав, що Всесвіт має величезну кількість зоряних систем, розкиданих у просторі, як острови в океані.

Загальна теорія відносності, створена Альбертом Айнштайном (1879—1955), спонукала до радикального перегляду наших уявлень про Всесвіт. Уперше принципово нові космогологічні наслідки загальної теорії відносності розкрив видатний радянський математик і фізик-теоретик Олександр Фрідман (1888—1925) у своїх моделях Всесвіту.

Невдовзі ці теоретичні моделі знайшли підтвердження зі спостережень рухів далеких галактик (ефект червоного зміщення у спектрах), виконані наприкінці 20-х років минулого

століття Е. Габблом (§ 28). Установлення факту розширення Всесвіту зруйнувало уявлення про вічний і незміний у часі Всесвіт і привело до створення різних теорій його зародження й еволюції.

2. Космологічні моделі Всесвіту. Моделі, з допомогою яких намагаються описати загальні закономірності еволюції Всесвіту як цілого, називають космологічними моделями. Відтоді, як І. Ньютон створив теорію гравітації на підставі закону всесвітнього тяжіння, в астрономії панувала теорія стаціонарного Всесвіту — класична ньютонівська космологія. Вона спиралась на такі постулати: а) Всесвіт завжди був, є і буде стаціонарним, тобто незмінним (змінюватися можуть конкретні космічні системи, але не світ у цілому); б) простір і час абсолютні, метрично нескінченні, однорідні й ізотропні і не залежать від матеріальних об’єктів і процесів, що відбуваються у Всесвіті.

Ньютонівська космологія криє в собі два парадокси, пов’язані з постулатом нескінченності Всесвіту. Перший парадокс отримав назву гравітаційного. Суть його полягає в наступному: якщо Всесвіт нескінченний і в ньому існує нескінченна кількість небесних тіл, то сила тяжіння буде нескінченно великою, і Всесвіт має зазнати колапсу, а не існувати вічно. Другий парадокс називають фотометричним: якщо існує нескінченна кількість небесних тіл, то світність неба має бути нескінченною. Але ми такого явища не спостерігаємо.

Ці парадокси не можна вирішити в рамках ньютонівської космології, але їх знімає сучасна космологія, в межах якої було введено уявлення про Всесвіт, що розширюється й еволюціонує.

Першу релятивістську космологічну модель Всесвіту (Додаток 1) розробив А. Айнштайн у 1917 р. Він відкинув постулати ньютонівської космології про абсолютність та нескінченність простору і часу, а також застосував космологічний принцип, згідно з яким наш Всесвіт є однорідним та ізотропним, тобто кожний спостерігач в один і той самий момент часу незалежно від місця і напрямку спостережень виявляє в середньому одну й ту саму картину. Або: в цілому глобальні параметри Всесвіту однакові в усіх напрямках для будь-якого спостерігача, який перебуває в ньому хоч би де.

Поняття однорідності означає — вигляд Всесвіту в один і той самий момент часу не залежить від місця спостереження. Вивчаючи Всесвіт з будь-якої його точки в один і той самий момент часу, ви отримаєте однакові результати. А поняття ізотропності означає — властивості Всесвіту не залежать від напрямку, в якому його спостерігають. Всі напрямки у Всесвіті рівноправні.

Потрібно зауважити, що на відносно невеликих масштабах (до 80 Мпк, або 260 млн св.р.) «нитки» і «стіни», утворені зі скупчень і надскупчень галактик, що огортають велетенські порожнини — войди, є відхиленням від однорідності. Бо з різних точок цього об’єму картина ближнього Всесвіту буде дещо різною. Але як свідчать астрономічні спостереженння: на

великих масштабах (більших за 100 Мпк) однорідність розподілу матерії у Всесвіті й відсутність виділених напрямків виконуються з належною точністю.

Космологічну модель Всесвіту А. Айнштайн розробив, спираючись на основне рівняння тяжіння, яке входить до створеної ним раніше загальної теорії відносності (ЗТВ). Це рівняння пов’язує кривизну простору-часу з матерією — речовиною, що заповнює викривлений простір, який розглядають. Згідно з цією теорією, простір і час — величини взаємозалежні. Їх визначає розподіл гравітаційних мас у Всесвіті. А властивості Всесвіту як цілого зумовлені значенням середньої густини речовини та іншими фізичними параметрами. Тобто з рівнянь випливало, що Всесвіт не є стаціонарним, а має або стискатись, або розширюватись.

Але на початку ХХ ст. така модель не узгоджувалася з відомими астрономічними спостережними даними. Для тодішних астрономів простір не залежав від часу, а Всесвіт був нескінченним у часі й безмежним у просторі. Щоб отримати розв’язок свого рівняння для статичного й незмінного Всесвіту, Айнштайн увів до нього безрозмірну сталу, задача якої полягала в тому, щоб протидіяти силам гравітації, тобто діяти у зворотному напрямку й запобігати стисканню. Цю сталу він позначив грецькою літерою А (лямбда) і припустив її значення таким малим, щоб не помічати її прояву в природі. Отак космологічна модель Айнштайна стала моделлю стаціонарного Всесвіту. Тепер цей член називають космологічною сталою, і вважають що вона описує властивості вакууму.

Коли було з’ясовано, що основне рівняння тяжіння ЗТВ має не одне, а багато розв’язків, з’явилися інші космологічні моделі Всесвіту. Одну з таких у 1917 р. запропонував голландський астроном Віллем де Сіттер. Ця модель передбачала можливість швидкого руху космічних об’єктів і стала попередницею пізніших теорій Всесвіту, що розширюється.

У 1922 р. російський математик і геофізик Олександр Фрідман знайшов нові розв’язки рівняння тяжіння ЗТВ, з яких випливало кілька сценаріїїв розвитку Всесвіту. Серед них був цікавий варіант, коли космологічна стала дорівнювала нулю (А = 0). Тоді еволюція Всесвіту стає залежною від початкового значення густини речовини, а Всесвіт, заповнений масою, на яку діє сила тяжіння, не може бути статичним. Він має або розширюватися, або стискатися.

Отже, космологічна модель О. Фрідмана вказує на те, що розвиток Всесвіту залежить від кількості речовини у ньому (інакше — від значення середньої густини речовини у Всесвіті). Якщо середня густина речовини і випромінювання рс у Всесвіті дорівнює або менша за деяку критичну величину ρк, (ρс = ρк, або ρс < ρк,), то Всесвіт необмежено розширюється від початкового точкового стану (відповідно геометрія простору є евклідовою або Лобачевского). Якщо ρс більша за ρк, (ρс > ρк), то розширення Всесвіту на якомусь етапі зміниться на стискання (геометрія простору є рімановою), що триває аж до точки сингулярності (рис. 29.1). Нині за різними оцінками значення рк ~(8 — 9,3)10-30 г/см-3.

Рис. 29.1. Портрет О. Фрідмана та ілюстрації до космологічних моделей: відкритий Всесвіт (а); закритий Всесвіт (б); пульсівний Всесвіт (в).

Космологічні моделі Всесвіту О. Фрідмана, як і його попередників, були своєю сутттю математичними моделями. Їх ще треба було перевірити на практиці, виконуючи астрономічні спостереження. І ці спостереженя не забарились. У 1926 р. Е. Габбл дав опис галактик, як самостійних зоряних систем, що не входять до складу Молочного Шляху, а згодом виявив факт розбігання галактик.

Спостереження Е. Габбла спонукали Жоржа Леметра у 1927 р.розробити космологічну модель Всесвіту, згідно з якою наш світ виник унаслідок вибуху надщільний матерії («первинного атома»). У цій моделі Всесвіт, після вибуху, розширюється так, як це описують рівняння ЗТВ. Окрім цього, Ж. Леметр математично довів, що радіальна швидкість розширення має бути пропорційна відстані від Сонячної системи. Зі спостережень цю залежність знайшов, згадаймо, Е. Габбл у 1929 р. і її називають законом Габбла.

Отже, на кінець 20-х років ХХ ст. космологічні моделі, що свідчили про нестаціонарну природу нашого Всесвіту, отримали спостережне підтвердження. Проте існували й проблеми. Наприклад, модель Леметра давала змогу оцінити тривалість існування Всесвіту — для цього потрібно було визначити величину сталої Н у рівнянні закону Габбла. Спроби визначити сталу Габбла приводили до висновку, що наш світ виник лише близько двох мільярдів років тому. Однак геологи стверджували, Земля набагато старіша. Астрономи також не мали сумнівів — у Всесвіті дуже багато зір значно більшого віку.

1946 р. Джордж Гамов запропонував нову, реалістичнішу космологічну модель. Згідно з нею Всесвіт, за якусь мить після народження, складався з добре відомих частинок — електронів, фотонів, протонів і нейтронів. Ця суміш містилась у крихітному (порівнюючи з нинішнім) об’ємі, і тому її густина була великою та мала високу температуру.

Хоча модель «гарячого» народження Всесвіту пояснювала механізм утворення основного ізотопу гелію (4Не), вона також мала суттєві неузгодженості. Щоправда з неї випливав один цікавий висновок — космічний простір має пронизувати мікрохвильове випромінювання, що виникло через 300 тис. р. після народження Всесвіту. Це видається дивним, але радіоастрономи не поспішили перевірити висловлене припущення.

До відкриття у 1965 р. мікрохвильового випромінювання в космології домінувала інша модель Всесвіту (автори Ф. Хойл, Т. Голд і Г. Бонді), що залишилась в історії астрономії під назвою «Космологія стабільного стану» (Steady State Cosmology). Модель вказувала на повну рівноправність не лише всіх точок простору, але й усіх моментів часу. Це означає, що Всесвіт розширюється, але не має початку, тобто існує вічно. У такому Всесвіті спостерігають явище розбігання галактик, але розширення простору, на думку Хойла, забезпечувало С-поле (поле творіння, від англ. сreation) з від’ємним тиском. Водночас у космосі мала «спонтанно» виникати нова речовина, причому з такою інтенсивністю, що середня густина матерії залишалася незмінною. Походження елементів, зокрема водню Н і гелію Не, Хойл пояснював термоядерними процесами в зорях.

3. Теорія Великого Вибуху. Після того, як астрономи довели, що стала Габбла на порядок менша за попередні оцінки, вік Всесвіту в космологічній моделі з Великим Вибухом зріс до 10—20 млрд років (сучасна оцінка — 13,7 млрд років ± 200 млн). Тому коли в 1965 р. А. Пензіас і Р. Вільсон зареєстрували передбачене в «гарячій» моделі походження Всесвіту випромінювання — теорія Великого Вибуху посіла чільне місце серед космологічних моделей. Нині її вважають стандартною й загальновизнаною, а всі інші — надбанням історії науки.

Головна її особливість полягає в тому, що Всесвіт мав початок, тобто виник колись унаслідок своєрідного вибуху: енергія наче зненацька вихлюпнулась (так, як це буває, коли ми відкорковуємо газовану воду) з якогось далекого від сучасного розуміння стану, породивши тим самим наш з вами світ. Цю грандіозну подію, силу якої важко уявити, в науці називають «Великим Вибухом». Інколи застосовують англійську назву — Біґ Бенґ (Big Bang), що змістом відповідає нашому терміну.

Хоча момент народження нашого Всесвіту називають Великим Вибухом, варто розуміти, що із звичайним вибухом він не має нічого спільного. Звичайний вибух відбувається в певну мить у певному місці простору й іноді справді буває грандіозним. Проте до моменту Великого Вибуху не було ні простору, ні часу. Простір і час виникли після Великого Вибуху. Тобто наслідком цієї події стала поява Всесвіту, який почав розширюватися. А тому порівнювати подію народження Всесвіту зі звичайним вибухом не можна.

Наш Всесвіт народився дуже гарячим і відразу почав розширюватися. Висока густина й температура унеможливлюють існування будь-яких складних утворень. Тому в дуже молодому Всесвіті немає не лише звичних нам атомів та їхніх ядер, але навіть найпростіше ядро, водневе, тобто одиночний протон, не може довго існувати. Речовина Всесвіту в цей момент — це набір елементарних частинок і квантів випромінювання, які безперервно перетворюються одне в одне. Однак розширення Всесвіту приводить до того, що він стає холоднішим і енергія частинок стає меншою за масу протона. Тільки відтоді має сенс говорити про хімічний склад Всесвіту (§ 23, п. 3), адже в ньому виникає Н (водень).

На користь теорії Великого Вибуху (інколи вживають термін «стандартна космологія») є кілька доказів, серед яких факт розширення Всесвіту. Також ця теорія пояснює поширеність у Всесвіті легких хімічних елементів, таких як гелій і літій. Але головним доказом є наявність космічного фонового (реліктового) випромінювання (§ 30), яке можна спостерігати. За його дослідження А. Пензіасу і Р. Вільсону в 1978 р. та Д. Мазеру і Д. Смуту у 2006 р. присуджено Нобелівські премії.

Рис. 29.2. Розширення Всесвіту — один із доказів того, що наш світ виник унаслідок Великого Вибуху.

Теорія Великого Вибуху, пояснивши багато космологічних проблем, водночас поставила низку інших. Наприклад, що було до Великого Вибуху? Чому Всесвіт однорідний і чому кривизна простору має нульове значення, тобто він плоский, а отже, його описує геометрія Евкліда? Деякі з цих проблем вирішила інфляційна (§ 30) теорія Великого Вибуху. Інші проблеми, наприклад, причину Великого Вибуху, науковці намагаються пояснити в рамках нових космологічних теорій.

Одна з таких — теорія струн, у якій елементарні частинки вважають не точками, а одномірними протяжними об’єктами — квантовими струнами. В теорії струн всі елементарні частинки та їх фундаментальні взаємодії виникають внаслідок коливань і взаємодій ультрамікроскопічних квантових струн на масштабах 10 35 м (планківська довжина — гіпотетична природна найменша можлива одиниця довжини, квант довжини). Космологічні моделі Всесвіту, що спираються на теорію струн, розглядають Великий Вибух як флуктуацію, що спричинила виділення з и-мірного простору-часу нашого Всесвіту з його трьома просторовими вимірами й одномірним часом. У такий спосіб вдається «обійти» проблему початку Всесвіту, але досі немає ніяких підтверджень існування інших просторових вимірів, як і не спостережено жодної одномірної струни.

Навчальне завдання

• Статичний Всесвіт, тобто такий, що не розширюється і не стискається, не може реально існувати. Обгрунтуйте це.

Висновки

Теорія Великого Вибуху має декілька доказів, серед яких і відомий нам факт розширення Всесвіту, а також існування космічного фонового (реліктового) випромінювання, яке ми можемо спостерігати.

Запитання для самоперевірки

1. Поясніть суть космологічного принципу.

2. У чому відмінність між класичною ньютонівською космологією та релятивістською космологічною моделлю Всесвіту А. Айнштайна.

3. Що таке космологічна модель Всесвіту?

4. Поясніть, чи коректно порівнювати Великий Вибух і вибух звичайний.

5. Наведіть спостережні докази на користь теорії Великого Вибуху.

Додаткові та цитовані джерела інформації до § 29

• Розділ «Всесвіт» пункту «Науково-популярні статті» Українського астрономічного порталу. (http://www.astrosvit.in.ua/statti/vsesvit-v)

Додатки

Додаток 1

Перша релятивістська космологічна модель Всесвіту

У 1915 р. А. Айнштайн завершив роботу над загальною теорією відносності і пояснив з її допомогою аномалії орбіти Меркурія та визначив кут відхилення зоряних променів поблизу Сонця. Потім він взявся за вирішення фундаментальної проблеми, над якою міркував ще Ньютон. Оскільки всі небесні тіла відчувають взаємне тяжіння, чому вони не падають одне на одного? За часів Ньютона (втім, і набагато пізніше) вважали, що Всесвіт обертається навколо єдиного центру і тяжіння врівноважують відцентрові сили (як це відбувається в Сонячній

системі). Проте Айнштайн був упевнений, що в космосі немає ні «особливих» місць, ні виділених напрямків, що великомасштабна структура світобудови однорідна і ізотропна (тобто повністю симетрична відносно зсувів і поворотів).

Щоб оцінити революційність цієї ідеї, треба згадати, що в 1915 р. майже всі астрономи ототожнювали космос з нашою галактикою, структура якої не задовольняє айнштайнівським постулатам (щоб переконатися в цьому, досить подивитися вночі на небо). Так що Айнштайн фактично протиставив свої уявлення про світобудову астрономічній науці того часу.

Наділивши Всесвіт такими високими симетріями, він почав обчислювати його модель. Але математика приготувала йому малоприємний сюрприз. Усі розв’язки рівнянь були нестаціонарними — з них випливало, що Всесвіт або стискається, або розширюється. Натомість Айнштайн вважав Всесвіт незмінним і гадав, що його рівняння це доведуть, але нічого не виходило.

Видатний фізик звернувся по консультацію до свого друга Віллема де Сіттера, професора астрономії Лейденського університету. Де Сіттер, який мав у своєму розпорядженні лише дані про зорі Галактики, запевнив його, що їхні рухи не дають підстав для висновку, що Всесвіт як ціле розширюється або стискається. Після цього Ейнштейн увів у основне рівняння ЗТВ ще один доданок, який, здавалося б, математично забезпечував статичність Всесвіту — метричний тензор, помножений на додатню константу, яку Айнштайн позначив лямбда ([).

Так була побудована перша релятивістська космологічна модель Всесвіту, яку Айнштайн опублікував у 1917 р. Простір у цій моделі замкнутий (отже, космічний корабель, що не змінює курсу, може повернутися в точку старту) і скінченний в об’ємі, хоча і не має меж (фактично він є тривимірним аналогом поверхні кулі). Модель і справді була статичною, але лише формально. Багато пізніше було доведено — якщо об’єм такого світу збільшиться хоча б на йоту, він продовжить рости до нескінченності, а за зменшення об’єму стиснеться в точку. Це означало, що айнштайнівський розв’язок нестійкий і тому не має фізичного змісту.

Всесвіт однорідний лише в середньому і на масштабах, що перевищують 300 Мпк (близько 1 млрд св.р.). Якщо зменшувати масштаб, то починає виявлятися структура Всесвіту. Спочатку стають помітними надскупчення галактик розміром близько 100 Мпк (300 млн св.р), що утворюють відносно тонкі стіни, або, як їх частіше називають, «млинці», товщиною близько 10 — 20 Мпк (30 — 60 млн св.р.). Всередині них вимальовуються скупчення галактик розміром близько 10 Мпк (30 млн св.р.), а ще глибше — самі галактики. Розміри галактик лежать в широких межах: найменші, карликові галактики, менше 10 Кпс (тридцяти тисяч світлових років) у поперечнику і масою близько 100 мільйонів мас Сонця. Розміри ж найбільших галактик досягають багатьох сотень кілопарсек (сотень тисяч світлових років), а їх маси — тисячі мільярдів мас Сонця. Всередині галактик речовина також сильно структурована: спіральні рукави, кулясті зоряні скупчення, окремі зорі й, зрештою, планети.

За результатами вивчення § 29 Ви маєте:

знати й розуміти

космологічні парадокси та принципи; загальноприйняті моделі походження й розвитку Всесвіту; основи теорії Великого Вибуху; спостережні дані, які підтверджують теорію Великого Вибуху; внесок Г. Гамова в космологію.

уміти

описати розвиток уявлень про Всесвіт;

оцінювати

світоглядне значення сучасних уявлень по будову Всесвіту та його еволюцію.






Відвідайте наш новий сайт - Матеріали для Нової української школи - планування, розробки уроків, дидактичні та методичні матеріали, підручники та зошити

Віртуальна читальня освітніх матеріалів для студентів, вчителів, учнів та батьків.

Наш сайт не претендує на авторство розміщених матеріалів. Ми тільки конвертуємо у зручний формат матеріали з мережі Інтернет які знаходяться у відкритому доступі та надіслані нашими відвідувачами.

Всі матеріали на сайті доступні за ліцензією Creative Commons Attribution-Sharealike 3.0 Unported CC BY-SA 3.0 та GNU Free Documentation License (GFDL)

Якщо ви являєтесь володарем авторського права на будь-який розміщений у нас матеріал і маєте намір видалити його зверніться для узгодження до адміністратора сайту.

Дозволяється копіювати матеріали з обов'язковим гіпертекстовим посиланням на сайт, будьте вдячними ми приклали багато зусиль щоб привести інформацію у зручний вигляд.

© 2007-2019 Всі права на дизайн сайту належать С.Є.А.