Матеріали для Нової української школи 1 клас - планування, розробки уроків, дидактичні та методичні матеріали, підручники та зошити

ФІЗИКА

Частина 4

ОПТИКА. СПЕЦІАЛЬНА ТЕОРІЯ ВІДНОСНОСТІ

 

Розділ 14 ШВИДКІСТЬ ПОШИРЕННЯ СВІТЛА. ОСНОВИ СПЕЦІАЛЬНОЇ ТЕОРІЇ ВІДНОСНОСТІ

 

14.15. Сучасні уявлення про розвиток Всесвіту

 

Одним із найцікавіших у філософському відношенні результатів, одержаних теорією відносності, є новий розв’язок проблеми нескінченності Всесвіту. Класична космологія, яка ґрунтувалась на фізиці Ньютона, незважаючи на деякі труднощі, одночасно вирішувала питання про просторово-часову нескінченність Всесвіту. За нею Всесвіт нескінченний як у просторі, так і в часі. Таке твердження було безпосереднім наслідком евклідових уявлень про простір, які становили основу класичної фізики та космології.

Теорія відносності, яка переглянула евклідові уявлення про простір і виявила їх неуніверсальність, стала основою нового підходу до розв’язання проблеми нескінченності Всесвіту. Спочатку А. Ейнштейн вважав, що розв’язок проблеми нескінченності полягає в тому, що Всесвіт може бути лише просторово скінченним. Проте нині скінченна модель Ейнштейна має загалом лише історичне значення.

О. О. Фрідман виявив, що гравітаційні рівняння мають не тільки статичний, а й нестатичний розв’язок. У разі нестатичного розв’язку метричні властивості простору мають змінюватися з часом.

Якщо середня густина речовини та випромінювання у Всесвіті дорівнює деякій критичній величині, то світовий простір виявляється евклідовим і Всесвіт необмежено розширюється від початкового точкового сингулярного стану. Якщо густина менша за критичну, то простору властива геометрія Лобачевського, і він також необмежено розширюється. Нарешті, якщо густина більша за критичну, простір Всесвіту стає рімановим, розширення на деякому етапі змінюється стисненням, яке продовжується аж до початкового сингулярного стану.

Під час розширення всі масштаби у Всесвіті розтягуються, під час стиснення — стискуються. Для вибору моделі Всесвіту слід знати середню густину речовини та випромінювання в ній. Якщо середня густина матерії у Всесвіті перевищує 2 10-26 кг/м , то простір закривається у величезну гіперсферу, в противному разі справедлива відкрита модель Всесвіту. Оцінка густини речовини, враховуючи лише маси галактик, виявила, що вона дорівнює 5 10-28 кг/м . Насправді середня густина матерії у Всесвіті може бути більшою за рахунок метагалактичного йонізованого водню, нейтрино та згаслих (колапсованих) зірок, і не виключено, що середня густина більша за критичну. Тому поки що важко віддати перевагу тій або іншій моделі Всесвіту.

Проте як би не розв’язувалось питання про космологічні моделі, очевидно, що наш Всесвіт розширюється, еволюціонує. Відкриття останніх років (квазари, реліктове випромінювання) зробили цей висновок ще більш вірогідним. Згідно із законом Хаббла (14.30) у Всесвіті, що розширюється, всі космічні об’єкти віддаляються від спостерігача з тим більшою швидкістю, чим далі вони перебувають. Деяким квазарам властиве настільки велике червоне зміщення спектральних ліній, що їхні швидкості, розраховані за ефектом Доплера, мають наближатися до швидкості світла. Це означає, що світло, яке ми спостерігаємо, було послане квазарами багато мільярдів років тому, на початковому етапі розширення. Важливим для космології було відкриття 1964 р. реліктового космічного випромінювання, передбаченого Дж. Гамовим (його теорія «гарячого Всесвіту»). Це випромінювання виникло до початку розширення і з того часу заповнює весь космічний простір.

З чого все почалось? Як все стало таким, яким є? Так, за Р. Фейнманом можна сформулювати основні питання сучасної фізичної космології. На перше запитання космологія Фрідмана — Леметра впевнено відповіла ще 60 років тому: все пішло з велетенського загальнокосмічного катаклізму, який відбувався в далекому минулому і започаткував спостережуване розширення просторової структури Всесвіту.

Щодо другого запитання, то його розроблення почалося лише в наш час, коли теоретична космологія від вивчення механіки розширення перейшла до досліджень фізики космологічних процесів. При цьому слід зазначити, що в сучасній космологічній теорії еволюція розвитку Всесвіту простежується не від самої вихідної точки, а з часу, який дещо пізніший за час катаклізму. До цього моменту вихідна надгуста і надгаряча речовина встигає досягти такого розрідженого та остиглого стану, який піддається теоретичному розумінню на мові сучасного фізичного знання.

Через деякий час після «великого вибуху» космічна матерія становила високогусту і високотемпературну плазму — суміш певного набору елементарних частинок, які перебували в термодинамічній рівновазі, причому в цій суміші кількість речовини ледве-ледве перевищувала кількість антиречовини. Оскільки плазма швидко розширювалась, а її температура відповідно знижувалась, процеси анігіляції пар протонів і антипротонів переважали над протилежними процесами утворення їх. Унаслідок цього зникли (за винятком надлишкових протонів) усі протони і антипротони. Анігілювали (за винятком надлишкових електронів) також усі електрони і позитрони. Коли процес анігіляції частинок і античастинок закінчився, залишились, отже, лише надлишкові протони і електрони, а також випромінювання, яке виникло внаслідок анігіляції. Приблизно на цій стадії розвитку Всесвіту, коли він був ще досить нагрітим, утворились ядра таких легких елементів, як гелій та водень*.

Наступна фаза космічної еволюції — з’єднання народжених раніше ядер з електронами і утворення атомів — настала приблизно через мільйон років (після початку космологічного розширення), тоді температура зменшилась до 3000...4000 К, а густина — до значення приблизно в мільярд разів більшого від сучасного. За цих умов почав утворюватися нейтральний газ, який збирався у величезні хмари. Пізніше, приблизно через 200 мільйонів років після початку розширення, хмари космічного газу згрупувались, а потім, припинивши розширення, почали стискатись і, нарешті, утворили сучасні галактики.

Така своєрідна контурна схема Всесвіту, що еволюціонує, яку ще належить заповнити конкретними астрофізичними деталями.

Для описання моделі гарячого Всесвіту, що розширюється, за початкові умови взято надзвичайно важливі фізичні характеристики астрономічного Всесвіту, а саме: початковий гарячий стан і наступне його ізотропне розширення, кількісна перевага в ньому речовини над антиречовиною і випромінюванням тощо.

У суто теоретичному плані сингулярність у тій формі, в якій вона з’являється у фрідманівських розв’язках, рівняння Ейнштейна віддзеркалює «особливий» вироджений фізичний стан, в якому густина речовини, кривизна простору-часу і, за теорією гарячого Всесвіту, температура нескінченні: вся надгаряча космічна матерія буквально «стягнулася в точку». Між тим найголовніше — процес переходу космічної матерії з цього «точкового» стану до стадії катастрофічного розширення — залишається поза увагою теорії, оскільки вона поки що не в змозі підняти завісу над таємницею початкової сингулярності. Невідомо, що передувало «великому вибуху» — чи космічна матерія завжди перебувала в цьому особливому надгустому і надгарячому стані, чи стану розширення передувало однократне стиснення.

На сучасному етапі завдання космологічних досліджень полягає в тому, щоб теоретично вивчити «оточення» особливої точки, щоб спробувати зазирнути все далі й далі «в глиб часу» і, отже, просунутися все ближче до вихідного надгустого і надгарячого стану Всесвіту.

За допомогою реліктового випромінювання пощастило досягти стадії, яку від початку Всесвіту віддаляє «всього лише» мільйон років. У той час астрономічний Всесвіт був у тисячу разів теплішим (нагрітим до 3000...4000 К), а його радіус у стільки само разів менший за теперішній. Астрофізики вважають, що астрономічну інформацію про ще більш ранні стадії еволюції Всесвіту можна дістати за допомогою нейтринного каналу інформації. Нейтрино (найбільш проникна з усіх відомих елементарних частинок) може перенести нас у дуже віддалену епоху, яка віддалена від моменту «великого вибуху» всього на кілька часток секунди. В цю мить історії космосу густина первісної матерії перевищувала густину води у 10 мільйонів разів, а температура досягала 30 109 К. Тому недарма відомий радянський фізик Я. Б. Зельдович назвав астрофізичний пошук реліктового нейтрино «експериментом століття».

Ще більші надії вчені покладають на гравітаційно-хвильову астрономію, що формується сьогодні і яка б могла роздобути фізичну інформацію про найперші (аж до сингулярного) стани Всесвіту. Йдеться про реєстрацію гравітаційних хвиль, що приходять (ймовірно) з космосу і які здатні пройти крізь багатомільярдну товщу часу (і простору) і досягти Землі в повній цілості без помітного розсіяння і втрати енергії.

Зазначимо, що вчені добре усвідомили певну умовність понять, які застосовують у космології, особливо таких, як «початок і вік Всесвіту». Так, Я. Б. Зельдович пропонує розуміти під «віком Всесвіту» тривалість сучасного етапу існування Всесвіту. В іноземній літературі замість терміну «вік Всесвіту» частіше використовують поняття «хабблівського часу».

Запроваджується термін «фрідманівський час», який є теоретичним корелятором «хабблівського часу» і передає «справжній вік Всесвіту», тобто реальну тривалість космологічного розширення, що спостерігається сьогодні (перше трохи менше за друге: фрідманівський час становить 85 % хабблівського, який дорівнює приблизно 15 млрд. років).

Водночас, хоча вибір початкових умов не зовсім вдалий (вони передбачаються, виходячи з даних сучасних астрономічних спостережень), все-таки залишається без відповіді головне запитання: чому початкові умови еволюції Всесвіту були саме ті, що привели до космологічної ситуації, яка спостерігається тепер, а не інші? Сама постановка цього питання виходить за межі сучасної фізики.

Відомі експериментальні факти не дають змоги нині зробити однозначний вибір між різними космологічними моделями. Всі вони більш-менш задовільно пояснюють ці факти. Одні моделі (моделі зі скінченним часом) безпосередньо випливають з існуючих рівнянь гравітаційного поля, інші, що припускають перехід через сингулярну точку, а особливо осцилюючі моделі, на сьогодні ще не мають точного математичного обґрунтування. Проте, виходячи із загальних філософських міркувань, перевагу слід віддати осцилюючій моделі зі сталою в середньому по осциляціях ентропією. В осцилюючій моделі сучасний рівноважний стан Всесвіту не є винятковим, а повторюється з часом необмежену кількість разів.

Лише така модель дає змогу в принципі узгодити оборотність законів мікросвіту з необоротністю макроскопічних процесів у Всесвіті, яка спостерігається тепер**.

_______________________________________________________________________

*Вайнберг С. Первые три минуты (современный взгляд на происхождение Вселенной). — М.: Энергоиздат, 1981.

**Климишин И. Релятивистская астрономия. М.: Наука, 1973. — 207 с.









загрузка...

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. 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 посилання на сайт, будьте вдячними ми затратили багато зусиль щоб привести інформацію у зручний вигляд.

© 2008-2019 Всі права на дизайн сайту належать С.Є.А.