Авг 26

Космология

Радиотелескопы и оптические телескопы дают нам возможность вести наблюдения лишь весьма ограниченной части Вселенной, поэтому все наши познания в области физики и астрономии распространяются на относительно небольшой объем Вселенной. Отсюда возникает необходимость экстраполировать наши знания к гораздо более крупным временным и пространственным масштабам. При построении гипотезы поведения Вселенной космолог в качестве отправного пункта принимает какой-либо общий физический принцип — так называемый космологический принцип. Следует иметь в виду, что любой такой принцип является чисто предположительным и требует экспериментальной и наблюдательной проверки, как и всякий закон физики. В настоящее время космолог может лишь выбрать такой общий принцип в качестве исходного, принять некоторые границы применимости общей теории относительности, разработать математические следствия из модели Вселенной и проверить, подтверждаются ли экспериментально и наблюдениями предсказанные явления. Обзоры общего характера, посвященные этому вопросу, приведены в работах [3,39,47,58].

В основу большинства космологических систем положен принцип, согласно которому в среднем в данное космологическое время любая точка в пространстве ничем не отличается от других точек космического пространства.

Отдельные точки в пространстве как таковые наблюдаться не могут. В пространстве могут наблюдаться лишь объекты, поэтому космологический принцип применим лишь к космическим телам, которые поддаются наблюдению. В пространстве каждая частица вещества имеет свою иерархическую структуру и обладает своим собственным, присущим ей движением. Поэтому следует рассматривать среднее движение многих частиц вещества, существующих в определенной области пространства, чтобы получить общую картину поведения данной области. Космолог также должен игнорировать то обстоятельство, что наблюдаемое в пространстве вещество способно собираться, образуя компактные тела, причем большая часть пространства между ними остается относительно пустой. При построении теории он принимает, что масса компактных тел размазана в пространстве со средней плотностью, и не обращает внимания на какие-либо специальные эффекты, которые могут быть вызваны конденсацией вещества в плотные тела.

Согласно общей теории относительности, сформулированной Эйнштейном, истинно статической может быть лишь Вселенная, совершенно не содержащая материального вещества. Если Вселенная содержит вещество, то она должна находиться либо в состоянии расширения, либо в состоянии сжатия. Соответствующие решения уравнений нашел А. А. Фридман. Наблюдаемая нами Вселенная расширяется. Находящееся на большом удалении вещество Вселенной, гравитационно не связанное с нашей локальной системой галактик, все более удаляется от нас. В соответствии с космологическим принципом наблюдатель, находящийся на любой из этих отдаленных частиц вещества, должен со своей точки зрения видеть такую же картину Вселенной, как и мы со своей. При этом все далекие массы вещества будут удаляться от наблюдателя.

Если в настоящее время отдаленные массы вещества Вселенной удаляются от нас со скоростью, пропорциональной расстоянию до них, то по мере возвращения в прошлое можно было бы установить, что местная плотность материи непрерывно возрастает. Если дойти в прошлое достаточно далеко, можно отметить непрерывно происходящее стягивание вещества, пока в какой-то конечный момент в еще более раннем прошлом оно не оказалось сосредоточенным в одной точке. Эта картина описывается в космологии как «большой взрыв», так как согласно ей в прошлом в определенный конечный момент произошел выброс вещества из области с бесконечной плотностью, что можно рассматривать как своего рода случай созидания. На такой точке зрения основываются относительно простые математические космологические модели, получившие название моделей Вселенной Фридмана и послужившие основой для многих дискуссий о космологических процессах.

Ряд английских космологов выразили неудовлетворение описанным выше космологическим принципом. Одно из следствий общей теории относительности Эйнштейна состоит в том, что время, как оказалось, имеет много свойств, очень сходных со свойствами, присущими категории пространства. В четырехмерной геометрии пространства-времени пространство и время объединены. Поэтому упомянутые английские ученые спрашивали: почему следует космологический принцип применять только к пространству и почему нельзя его применять также и ко времени? Они предложили принять более общий космологический принцип, названный совершенным космологическим принципом, в котором постулируется, что в среднем (в крупном масштабе) любой наблюдатель во Вселенной должен в каждой точке пространства и в любой момент времени видеть одну и ту же картину.

Согласно этому принципу, Вселенная в среднем должна была бы всегда характеризоваться одним и тем же поведением. Поскольку наблюдения показывают, что Вселенная расширяется, и поскольку совершенный космологический принцип требует, чтобы средняя плотность вещества в пространстве оставалась неизменной, то необходимо постулировать, что в пространстве должно образовываться дополнительное вещество, компенсирующее собой уменьшение плотности вещества при расширении Вселенной. Так как наблюдения показывают, что во Вселенной вещество разлетается в виде галактик и скоплений галактик, то, естественно, следует вывод, что вновь образующееся вещество должно конденсироваться с образованием новых систем галактик. Такая общая картина получила название космологии стационарного состояния Вселенной.

Следует подчеркнуть, что предположение о непрерывном образовании вещества является лишь гипотезой физического процесса, который никогда не наблюдался. Таким образом, «совершенный космологический принцип» требует .принятия новых, непроверенных законов физики, неприемлемых для космологических теорий, основывающихся только на обычном космологическом принципе.

Во времена, когда Эйнштейн впервые применил свою общую теорию относительности в космологии, общепринятым было считать Вселенную статической. Поэтому, когда Эйнштейн обнаружил, что его общая теория относительности предсказывает существование расширяющейся или сжимающейся Вселенной, он провел видоизменение формы уравнения и пришел к выводу, что может ввести в свое общее уравнение новый член, так называемую космологическую постоянную, дающий возможность считать Вселенную почти статической на протяжении очень продолжительных отрезков времени. После того как выяснилось, что Вселенная в действительности расширяется, Эйнштейн прекратил эксперименты с космологической постоянной, однако другие космологи продолжали такие попытки и создали различные космологические модели, основывающиеся на этой постоянной.

Расширение Вселенной открыл Хэббл, проводивший работы по измерению спектров галактик. Хэббл обнаружил, что чем слабее галактика, тем больше смещение спектральных линий в спектре излучаемого этой галактикой света в сторону красной части спектра. Красное смещение спектральных линий истолковывается как допплеровское смещение и свидетельствует об удалении от нас далеких галактик. Скорость, с которой отдаленная галактика удаляется от нас, как оказалось, пропорциональна расстоянию до нее. Зависимость эта получила название закона Хэббла (закона красного смещения). Если движения далеких галактик экстраполировать во времени назад, то оказывается, что «большой взрыв» должен был произойти примерно (1-2) • 1010 лет назад.

До середины 60-х годов нашего столетия наблюдения красного смещения галактик были, по существу, единственными конкретными данными, которыми располагала космология. В 1965 г. Пензиас и Вилсон открыли микроволновое фоновое радиоизлучение. Идея очень горячей начальной среды была высказана Гамовым [25] (см. об этом далее). Он предсказал температуру фонового излучения 6° К вместо наблюдаемых на сегодняшний день 2,7° К. А. Т. Дорошкевич и И. Д. Новиков [2] указали, что излучение фона будет превосходить суммарное излучение источников радиоизлучения и звезд в диапазоне ОД—10 см. Дике и др. [20] предприняли экспериментальный поиск фонового излучения; когда им стали известны результаты, полученные Пензиасом и Вилсоном, то они не сразу их объяснили.Они установили, что Земля подвергается непрерывному облучению радиоволнами с длиной волны 7,5 см, приходящими с одинаковой интенсивностью со всех направлений космического пространства. Это открытие было подтверждено другими исследователями, зарегистрировавшими радиоизлучение во всем наблюдаемом диапазоне радиоволн, а наблюдения за межзвездными молекулами показали, что до длины волны порядка 1 мм излучение совпадает по форме спектра с излучением абсолютно черного тела с температурой 2,7° К. Простейшим объяснением этого фонового излучения может служить предположение о том, что названное радиоизлучение представляет собой остаточное явление, сохранившееся от стадии первоначального горячего состояния Вселенной, когда ее вещество было очень плотным и, естественно, имело гораздо более высокую температуру, чем в настоящее время. При достаточно высокой плотности и температуре вещества оно ионизируется и его излучение приобретает характер излучения абсолютно черного тела. Когда температура вещества падает до достаточно низкого уровня, так что вещество, состоящее преимущественно из водорода, получает возможность рекомбинации в нейтральную форму, взаимодействие между излучением и веществом становится очень слабым и излучение может свободно уходить в пространство, расширяясь вместе с Вселенной. При таком расширении интенсивность излучения уменьшается и фотоны претерпевают красное смещение, в результате чего спектр излучения сохраняет форму спектра абсолютно черного тела, а температура при этом продолжает постепенно снижаться.

Не все астрономы согласны с тем, что изотропное излучение фона имеет тепловое происхождение или что оно подчиняется закону Планка. Высказывались различные предположения о том, что источниками излучения могут служить неизвестные излучатели, в больших количествах изотропно распределенные в космическом пространстве. Большинство таких предположений основывается на очень сложных моделях этих неизвестных из лучателей и многих произвольных предположениях. Очевидно, необходима некоторая, альтернативная модель (возможно, и сложная), если истинная космологическая модель должна быть стационарной, например, такой, которая никогда не проходила в своем развитии фазы высоких плотности и температуры.

Если, исходя из общего смысла модели расширяющейся Вселенной Фридмана, предположить, что плотность вещества Вселенной в настоящее время меньше некоторой критической величины – несколько меньше 10-29г/см3, то Вселенная будет расширяться постоянна и мы можем считать ее открытой. С другой стороны, если плотность больше критической величины, то расширение со временем прекратится и снова начнется сжатие в сторону бесконечной плотности. Такую космологическую модель мы называем замкнутой: Вселенной. Критическая плотность вещества при этом зависит от точного значения постоянной закона Хэббла.

Предлагалось много вариантов общей теории относительности Эйнштейна. Все они вносили лишь незначительные изменения в соответствующие космологические теории.. В настоящей статье будет рассмотрено лишь одно из таких предложений, привлекшее к себе довольно большое внимание за последние годы — скалярно-тензорная общая теория относительности. Теория относительности Эйнштейна, характеризуемая тензорным гравитационным полем, дополняется скалярным гравитационным полем. Эта теория позволяет предсказывать некоторые особенности поведения космологической модели, отличающие* ее от модели Вселенной Фридмана. К этим особенностям относятся очень быстрое расширение на ранней стадии развития космологической модели и изменение со временем гравитационной постоянной закона тяготения Ньютона. Прямые, поддающиеся измерению результаты сложения скалярного поля с тензорным весьма незначительны, и экспериментальные исследования пока не дают оснований отдать предпочтение какой-либо из этих: двух теорий [39].

Похожие статьи:

  1. Физика ранней Вселенной За последние несколько лет между двумя: областями науки — физикой...
  2. Расширение Вселенной Следует подчеркнуть, что предположение о непрерывном образовании вещества является лишь...
  3. Математические модели для описания реакций человека на воздействие ударного ускорения Модели, описывающие динамические реакции тела человека и опорно-связочного аппарата, могут...

автор admin \\ теги:



Написать ответ

Вы должны войти чтобы комментировать.