ЛЕКЦИЯ 7. Современные представления о Вселенной

Первую модель Вселенной на основе ОТО предложил сам Эйнштейн, который пришел к выводу, что Вселенная должна быть стационарной и иметь форму четырехмерного «цилиндра». Фридман же доказал, что искривленное пространство Вселенной не может быть стационарным.

В 1922-1924 годах Фридман выступил с критикой модели Эйнштейна и показал необоснованность исходного постулата о неизменности Вселенной во времени. Исходя из противоположного постулата о возможности изменения радиуса кривизны мирового пространства во времени, Фридман построил три математических модели Вселенной. В двух из них радиус кривизны пространства растет, и Вселенная расширяется (в одной модели расширяется из точки, в другой – из некоторого объема). Третья модель рисует картину пульсирующей Вселенной с периодически меняющимся радиусом кривизны.

Фридман сообщил о своих результатах Эйнштейну, который сначала не обратил на них серьезного внимания, однако затем проверил его результаты и признал их правильными.

Две первые модели Фридмана вскоре нашли подтверждение в наблюдениях движений далеких галактик – в так называемом эффекте «красного смещения» в спектрах галактик. Красное смещение свидетельствовало о «разбегании» друг от друга всех достаточно далеких друг от друга галактик и их скоплений. Спектром называется набор излучаемых длин волн, характерный для данного вещества (в данном случае - водорода, так как он наиболее распространен во Вселенной). Волны, доходящие до нас от далеких галактик, имеют большую длину и меньшую частоту. Со временем длина волны, исходящей от дальней галактики, увеличивается, соответственно, при спектральном анализе мы наблюдаем смещение спектра в его «красную» часть. Таким образом подтверждается факт расширения наблюдаемой нами части Вселенной. Большинство космологов понимает расширение как расширение всей Вселенной.

Открытие расширения Вселенной связано и с именем американского астронома Эдвина Хаббла (1889-1953). Он дал свой ответ на главный вопрос космологии – о конечности или бесконечности Вселенной. Хаббл измерил скорости 18-ти галактик в ближайшем к нам созвездии Девы и нашел общую закономерность движения галактик: “красные смещения” в спектрах галактик росли пропорционально расстояниям от наблюдателя (или от центра нашей галактики) (закон Хаббла). Чем дальше галактики друг от друга, тем больше скорость их «разбегания»: (v = H x R), где v – скорость разбегания галактик, Н – коэффициент пропорциональности или постоянная Хаббла, R – расстояние до наблюдаемой галактики. С увеличением расстояния между галактиками на миллион парсеков (около трех миллионов световых лет) скорость их «разбегания» увеличивается примерно на 70 километров в секунду.



t = _= _ = _ при подстановки V = H x R

Такая интерпретация закона Хаббла с очевидностью подтверждала теорию нестационарной Вселенной, построенной Фридманом. В астрономической картине мира утвердился образ нестационарной, развивающейся Вселенной.

Если средняя плотность вещества во Вселенной меньше критической плотности (5 х 10^-30 г/см³), то Вселенная будет «открытой», бесконечно расширяющейся. Если же средняя плотность вещества во Вселенной больше или равна критической плотности, то она – «закрытая», и со временем начнет сжиматься, коллапсировать. Критическая плотность – примерно 9 граммов в кубическом сантиментре, поделенные на единицу с тридцатью нулями.

Одна из наиболее острых проблем современной космологии – это проблема скрытой массы, от которой зависит оценка средней плотности вещества во Вселенной. Одним из проявлений скрытой массы являются «черные дыры». Черная дыра – это потухшая звезда, с массой более 3-х масс Солнца, которая, исчерпав свое ядерное топливо, потухает и испытывает гравитационный коллапс (катастрофическое сжатие). Вокруг «черной дыры» образуется своеобразная гравитационная «воронка», то есть такое искривление пространства-времени, вследствие которого «черная дыра» ничего не выпускает наружу и не отражает, следовательно, ее невозможно обнаружить. Сила тяготения на поверхности «дыры» столь велика, что для ее преодоления необходимо развить скорость, превышающую скорость света. На поверхности «черной дыры» имеют место экзотические релятивистские эффекты (сокращение длины тела в точку, увеличение массы тела до бесконечности, остановка времени). Ученые предполагают, что «черные дыры» образуют ядра галактик. В нашей галактике известно и описано 26 «черных дыр».

Современная астрономия не знает, что представляет собой Вселенная в целом. Мы можем говорить лишь о той части Вселенной, которая доступна нашему наблюдению – о нашей Метагалактике. Ее размеры составляют около 10 миллиардов световых лет.

В 30-е годы ΧΧ века рядом ученых (Ж.Леметр, Э.Милн, А.Фридман) была выдвинута интерпретация разбегания галактик как результата взрыва сверхплотного сгустка некой особой «первичной» материи.

Научная космологическая теория - теория Большого Взрыва (Big Bang) была создана американским физиком русского происхождения – Г.А. Гамовым (1904-1968) совместно с физиками Р.Альфером и Г.Бете. Согласно этой теории вся современная наблюдаемая нами Вселенная представляет собой результат катастрофического взрыва материи, находившейся до того в чудовищно сжатом сверхплотном состоянии, состоянии сингулярности, недоступном пока для понимания и описания в рамках современной физики. Начавшееся при этом взрыве расширение материи привело первоначально к неразделимой смеси – излучения и вещества.

Первоначально Вселенная состояла из водорода (70%) и гелия (30%); все остальные химические элементы возникли позже, когда образовались звезды. Первое поколение звезд состояло только из гелия и водорода.

Огромное количество водорода в наблюдаемой части Вселенной заставляет предположить, что в начальной фазе ее расширения она была заполнена главным образом высокотемпературным излучением, хотя и содержала некоторое количество частиц и античастиц. После взаимной аннигиляции (взаимоуничтожения) частиц и античастиц остались частицы, так как их было чуть больше. Исходное соотношение между излучением (числом фотонов) и частицами (числом частиц) сохраняется и в современной Вселенной.

Гамов и его ученики в 1948 году предсказали, что в современной Вселенной остывшее первичное излучение должно наблюдаться как тепловое, соответствующее температуре примерно в три градуса по шкале Кельвина. Позднее оно было неоднократно обнаружено экспериментально и получило название реликтового излучения.

Это открытие подтвердило теорию Большого Взрыва и показало, что у нашей Вселенной имеется ранняя история, и что она, действительно, эволюционировала.

Расширение Вселенной, судя по современной его скорости, началось 13,7 миллиардов. лет назад. Раннюю Вселенную можно охарактеризовать как последовательность эпох. Самая ранняя эпоха продолжалась 10^-43 сек. К концу этой эпохи температура составляла 10³²К, а плотность вещества достигала 10⁹⁷кг/м³. В эту же эпоху существовали элементарные строительные блоки (кварки).

По мере падения температуры из кварков образовались адроны (тяжелые частицы).

Через 10^-3 сек после начала расширения вещество Вселенной состояло из частиц (протонов, нейтронов, электронов, мюонов, пионов, нейтрино и гравитонов) и их античастиц. Приблизительно через 1 сек в результате аннигиляции остались только нейтроны, протоны, электроны, нейтрино, гравитоны.

При дальнейшем снижении температуры, когда энергия упала ниже энергии связи сложных ядер, протоны объединились с нейтронами, образуя атомные ядра. В этом первичном синтезе образовалось 30% атомарного гелия, остальное же вещество почти полностью состояло из свободных протонов. Температура продолжала снижаться и была уже слишком низкой для синтеза ядер. За это время успело образоваться лишь очень немного ядер тяжелее, чем ядра гелия.

Охлаждение продолжалось и далее, но темп его замедлился, так что потребовалось 10¹⁵ сек, чтобы температура достигла 10⁴К. На этой стадии свободные протоны и электроны образовали атомарный водород. Вещество стало прозрачным для излучения и с этого времени вещество и излучение разъединились. С этого момента появилось реликтовое излучение, через 3^.10⁵ лет после Большого Взрыва.

В это же время стали образовываться электрически нейтральные атомы (гелия и водорода), то есть ядра стали соединяться с электронами, образуя «нормальный» атом – с ядром и электронной оболочкой.

Охлаждающийся газ образовал облака, из которых возникали протогалактики. Области повышенной плотности притягивали дополнительное вещество, и их сила тяготения увеличивалась. Медленное сжатие протогалактик происходило под действием самогравитации. Одна за другой сменялись последовательные эпохи, пока в газовых облаках начался процесс звездообразования. Так как протозвезды сжимались, происходило постепенное их разогревание до тех пор, пока температура центральных областей не поднялась до нескольких миллионов градусов, чтобы началась термоядерная реакция. С момента выделения ядерной энергии сжатие протозвезды прекращается, так как температура и давление в центре ее возрастают и уравновешивают силу гравитации. Протозвезда обретает равновесие и становится звездой.

Все химические элементы, за исключением гелия и водорода, возникли на поверхности звезд (легче железа) и в недрах звезд (тяжелее железа).

По данным ряда астрофизиков, наблюдаемой Вселенной осталось существовать 22 миллиарда лет. После чего она будет «разорвана» набирающей уже сегодня силу «темной энергией», равносильной антигравитации. На сегодня установлено, что Вселенная расширяется быстрее, чем предполагали ранее. Это связано с нарастанием силы «темной энергии» или антигравитации, существование которой предположил еще Эйнштейн, обозначив ее в своем уравнении значком λ (лямбда). Силе «темной энергии» могла бы противостоять сила гравитации, но она зависит от массы вещества во Вселенной. Масса известного нам вещества (протоны, нейтроны, электроны, нейтрино и т.д.) составляет всего 5% от критической массы, необходимой для остановки расширения космоса с помощью гравитации. Еще 30% необходимого вещества («темного вещества») составляют таинственные частицы, которые предсказаны лишь теоретически и экспериментально не наблюдались. «Темная энергия» составляет около 70%. Таким образом, наша Вселенная обречена на «великий разрыв», или – «Великий Хруст» - Big Crunch.

Понятие «физический вакуум» было введено в 1928 году П.Дираком. Согласно Дираку, это система частиц, в которой отсутствуют частицы с положительной энергией. «Море Дирака» - это электроны с отрицательной энергией. Дирак предсказал существование первой античастицы – позитрона – как «дырки» в физическом вакууме. Вакуум – это система, в которой отсутствуют реальные частицы данного вида (например, электроны).

Появление реальных частиц рассматривается как возбуждение вакуума, поэтому вакуум можно рассматривать как среду, порождающую вещество и поле.

Вакуум – это состояние с наименьшей энергией при отсутствии вещества. В вакууме происходят квантовые флуктуации полей и виртуально рождаются частицы. Энергия вакуума может переходить в поле, а поле – в частицы. Так, на короткое время (определяемое соотношением неопределенностей Гейзенберга) любая система может перейти в состояние, отличающееся от предыдущего состояния по энергии, с нарушением закона сохранения энергии. Такие переходы называются виртуальными. Так как по теории относительности Эйнштейна энергия может переходить в массу (Е = m^.c²), то виртуальные переходы соответствуют рождению частиц на короткое время.

Физический вакуум существует повсюду. В нем происходит взаимодействие элементарных частиц. Вакуум воздействует на все тела своей антигравитацией, но обратному гравитационному воздействию от этих тел не поддается.

Согласно инфляционной модели Вселенной нидерландского астронома В. де Ситтера в ранние моменты эволюции Вселенной вся энергия мира была заключена в вакууме. Стадия инфляционного (сверхбыстрого) расширения Вселенной длилась 10^-35 сек. За это время Вселенная быстро расширялась, а заполняющий ее вакуум растягивался. Образовавшееся состояние Вселенной было крайне неустойчивым, когда возникновения малейших неоднородностей было достаточно, чтобы вызвать переход системы в другое состояние. При переходе вакуума в другое состояние выделяется огромная энергия. За счет этой энергии происходит рождение из вакуума реальных частиц, которые начинают двигаться с огромными скоростями. Температура вселенной возрастает до 10^{27 0}К. Вселенная становится горячей.

Физический вакуум является ненаблюдаемой физической реальностью. У нас нет фундаментальной физической теории, адекватно описывающей его состояния и динамику. Также имеет место недостаточность экспериментальных данных. Единственным доказательством существования вакуума являются точные предсказания взаимодействия с ним реальных частиц. Так, например, аномальный магнитный момент электрона появляется в результате его взаимодействия с вакуумом.
Антропный космологический принцип.
Наблюдая Вселенную и изучая историю ее эволюции, многие ученые пришли к выводу, что в ней действует некий принцип, организующий Вселенную наилучшим образом. Так, энергия расширения Вселенной очень хорошо согласовывалась с ее гравитационной энергией, обеспечивая Вселенной максимально длительный срок существования. Некоторые физики предположили, что строение физического мира неотделимо от существования его обитателей, наблюдающих мир. Физики утверждают, что существует принцип, осуществляющий невероятно тонкую подстройку всех явлений и процессов во Вселенной, но это не физический принцип, а антропный, связанный с человеком как частью Вселенной.

Антропный принцип был впервые выдвинут английским астрофизиком Брэндоном Картером в 1973 году в качестве противовеса неоправданно широкому использованию принципа Коперника, согласно которому мы не занимаем привилегированного места во Вселенной. Последнее положение является ошибочным с позиций современной науки, так как само наше существование как сложных физико-химических существ требует определенных условий, которые встречаются только в определенных местах Вселенной и на определенных стадиях ее истории. Само наше существование как разумных существ зависит от структуры физического мира. Так, если бы любое из точно отрегулированных условий было нарушено, то жизнь была бы невозможна (по крайней мере, известная нам ее форма).

Английский физик Дж.Томсон (1856-1940), исследуя прохождение электрического тока через разреженные газы, открыл в 1897 г. электрон, и определил его заряд. Томсон показал, что электрон - один из составных элементов атома, один из элементарных кирпичиков, из которых построено вещество. Он предложил в 1903 г. одну из первых моделей атома, согласно которой атом представляет собой сферическую положительно заряженную сферу, «набитую» электронами, подобно “булке с изюмом”. Извлечь электроны из атома сравнительно легко. Это можно сделать нагреванием, трением или бомбардировкой атома другими электронами.

Однако большую часть массы атома составляют не электроны, а ядро атома. Существование ядра было открыто Э.Резерфордом (1871-1937), который бомбардировал золотую фольгу α- (альфа) частицами и обнаружил, что есть места, где частицы отскакивают от чего-то массивного, а есть места, где частицы свободно пролетают насквозь.

Резерфорд создал на основе этого открытия планетарную модель атома. Согласно этой модели, в центре атома расположено ядро, которое сосредоточивает в себе основную массу атома, а вокруг ядра по круговым орбитам обращаются электроны, подобно тому, как планеты обращаются вокруг Солнца. Атом Резерфорда, согласно известным законам электродинамики, должен постоянно излучать энергию, поэтому электроны должны были бы приближаться к ядру, упасть на него и его разрушить, т. е. такой атом не может быть стабильным. Однако атом очень устойчив, и разрушить его крайне трудно. Эта проблема некоторое время не находила своего решения.

В 1888-1890 гг. русским физиком А.П.Столетовым был исследован фотоэлектрический эффект. Свет может «выбивать» из металла электроны. Мы можем подсчитать число этих электронов, определить их скорость и энергию. Если бы освещаем металл светом той же длины волны, но из более мощного источника, то следовало бы ожидать, что энергия испускаемых электронов будет больше. Однако, ни скорость, ни энергия электронов не изменяются при возрастании интенсивности света. Это явление оставалось непонятным до открытия кванта энергии М.Планком. Опираясь на идею кванта, А.Эйнштейн разработал в 1905 году теорию фотоэффекта.

В конце XIX в. в физике возникла трудность, которая получила название «ультрафиолетовой катастрофы». Экспериментальное исследование спектра теплового излучения абсолютно черного тела дало результаты, несовместимые с расчетами, проведенными в рамках классической электродинамики. По расчетам получалось, что в ультрафиолетовом конце спектра излучения интенсивность должна неограниченно возрастать, что коренным образом противоречило опыту.

Отметим, что любое нагретое тело испускает излучение определенной длины волны в зависимости от своего химического состава. Это можно видеть по разным спектрам излучений, полученным от разных химических элементов.
Открытие кванта энергии М.Планком.

Пытаясь решить проблему «ультрафиолетовой катастрофы», М. Планк (1858-1947) был вынужден допустить, что противоречие возникает из-за неправильного понимания классической физикой самого механизма излучения. В 1900 г. он выдвинул гипотезу о том, что излучение и поглощение энергии происходит не непрерывно, а дискретно - порциями (квантами). Планк назвал эти порции энергии фотонами. Энергия фотона определяется по формуле E = hν, где ν – частота излучения, а h - коэффициент пропорциональности, или постоянная Планка.

На основе идеи Планка удалось решить не только проблему «ультрафиолетовой катастрофы», но и другие вышеперечисленные проблемы. Сразу стало понятно, что квантовая теория света дает объяснение и фотоэлектрическому эффекту. Поток фотонов падает на металлическую пластинку. Фотон ударяется об атом и выбивает из него электрон. Вырванный электрон будет в каждом случае иметь одинаковую энергию. Поэтому понятно, что увеличение интенсивности света означает увеличение числа падающих фотонов. В этом случае из металлической пластинки вырывается большее число электронов, но энергия каждого отдельного электрона не изменяется.

Энергия световых квантов различна для лучей разных цветов, т. е. волн разной частоты. Так, энергия фотонов красного света вдвое меньше энергии фотонов фиолетового света. Рентгеновские же лучи состоят из фотонов гораздо большей энергии, чем фотоны белого света. Если мы будем выбивать электроны волной большей частоты, то энергия выбиваемых электронов возрастет.
Модель атома Н.Бора.

Датский физик Нильс Бор (1885-1962) создал свою модель на основе открытия Планка, которое позволило ему разрешить затруднения планетарной модели атома Резерфорда.

Согласно модели атома водорода Бора, в центре атома расположено массивное ядро, вокруг которого по стационарным орбитам вращаются электроны. Атом излучает энергию не постоянно, а порциями (квантами) и только в возбужденном состоянии. В этом случае мы наблюдаем переход электронов с внешней орбиты на внутреннюю. В случае же поглощения атомом энергии имеет место переход электронов с внутренней орбиты на внешнюю.

Вышеперечисленные открытия, как и многие другие, нельзя было понять и объяснить с точки зрения классической механики. Нужна была новая теория, которая была создана в 1925-1927 гг. и получила название квантовой механики.

После того, как физики установили, что атом не является последним кирпичиком мироздания, а сам состоит из более простых частиц, начался поиск элементарной частицы.

Элементарной частицей в настоящее время называют такую частицу, которая меньше атомного ядра (начиная с протона, электрона, нейтрона). На сегодняшний день известно более 400 элементарных частиц.

Как мы уже знаем, первой открытой в 1897 году Дж.Томсоном элементарной частицей был электрон. В 1919 году Э.Резерфорд открыл протон, положительно заряженную тяжелую частицу, входящую в состав атомного ядра. В 1932 году английский физик Дж. Чэдвик открыл нейтрон - тяжелую частицу, не имеющую электрического заряда и тоже входящую в состав атомного ядра. В 1932 году П. Дирак предсказал первую античастицу – позитрон, по массе равный электрону, но обладающий противоположным (положительным) электрическим зарядом. Обнаружен позитрон был в том же 1932 году американским физиком К.Андерсоном в космических лучах.

В 1936 году были открыт мюон и его античастица - также в космических лучах.

В 1955 году в опытах на ускорителе элементарных частиц был зарегистрирован антипротон.

В 1956 году был зарегистрирован антинейтрон.

На сегодняшний день обнаружены античастицы практически у всех известных частиц.

С 50-х годов ХХ века основным средством открытия и исследования элементарных частиц стали сверхмощные ускорители – адронные коллайдеры.

Все частицы делятся на частицы вещества и частицы-переносчики фундаментальных взаимодействий.

Исходными частицами, из которых построены все остальные частицы и все вещество во Вселенной, являются лептоны (и их античастицы) и кварки (и антикварки), из которых построены адроны.

Вещество Вселенной состоит из 2-х лептонов (электрона и электронного нейтрино) и 2-х адронов: протона и нейтрона, из которых состоят атомы. Все остальные частицы возникают лишь в ускорителях и в явлениях, порождаемых космическими лучами.