Модель расширяющейся Вселенной (Вселенная Фридмана, нестационарная Вселенная)
В 1922 году советский физик и математик А. Фридман на основе строгих расчетов показал, что Вселенная Эйнштейна не может быть стационарной, неизменной. При этом Фридман опирался на сформулированный им космологический принцип, который строится на двух предположениях: об изотропности и однородности Вселенной. Изотропность Вселенной понимается как отсутствие выделенных направлений, одинаковость Вселенной по всем направлениям. Однородность Вселенной понимается как одинаковость всех точек Вселенной: мы можем проводить наблюдения в любой из них и везде увидим изотропную Вселенную.
Фридман на основе космологического принципа доказал, что уравнения Эйнштейна имеют и другие, нестационарные решения, согласно которым Вселенная может либо расширяться, либо сжиматься. При этом речь шла о расширении самого пространства, т.е. об увеличении всех расстояний мира. Вселенная Фридмана напоминала раздувающийся мыльный пузырь, у которого и радиус, и площадь поверхности непрерывно увеличиваются.
Первоначально модель расширяющейся Вселенной носила гипотетический характер и не имела эмпирического подтверждения. Однако в 1929 г. американский астроном Э. Хаббл обнаружил эффект «красного смещения» спектральных линий (смещение линий к красному концу спектра). Это было истолковано как следствие эффекта Допплера — изменение частоты колебаний или длины волн из-за движения источника волн и наблюдателя по отношению друг к другу. «Красное смещение» было объяснено как следствие удаления галактик друг от друга со скоростью, возрастающей с расстоянием. Согласно последним измерениям увеличение скорости расширения составляет примерно 55 км/с на каждый миллион парсек.
В результате своих наблюдений Хаббл обосновал представление, что Вселенная — это мир галактик, что наша Галактика — не единственная в ней, что существует множество галактик, разделенных между собой огромными расстояниями. Вместе с тем Хаббл пришел к выводу, что межгалактические расстояния не остаются постоянными, а увеличиваются. Таким образом, в космологии появилась концепция расширяющейся Вселенной.
Разъясняя характер эволюции Вселенной, расширяющейся начиная с сингулярного состояния, Фридман особо выделял два случая:
а) радиус кривизны Вселенной с течением времени постоянно возрастает, начиная с нулевого значения;
б) радиус кривизны меняется периодически: Вселенная сжимается в точку (в ничто, сингулярное состояние), затем снова из точки, доводит свой радиус до некоторого значения, далее опять, уменьшая радиус своей кривизны, обращается в точку, и т.д.
Наблюдаемое нами разбегание галактик есть следствие расширения пространства замкнутой конечной Вселенной. При таком расширении пространства все расстояния во Вселенной увеличиваются подобно тому, как растут расстояния между пылинками на поверхности раздувающегося мыльного пузыря. Каждую из таких пылинок, как и каждую из галактик, можно с полным правом считать центром расширения. Когда Э. Хаббл показал, что далекие галактики разбегаются друг от друга со все возрастающей скоростью, был сделан однозначный вывод о том, что наша Вселенная расширяется. Но расширяющаяся Вселенная — это изменяющаяся Вселенная, мир со всей своей историей, имеющий начало и конец. Постоянная Хаббла позволяет оценить время, в течение которого продолжается процесс расширения Вселенной. Получается, что оно не менее 10 млрд. и не более 19 млрд. лет. Наиболее вероятным временем существования расширяющейся Вселенной считают 15 млрд. лет. Таков приблизительный возраст нашей Вселенной.
Как и любая другая научная концепция, теория Фридмана приближенна и имеет границы своей применимости. В частности, ее заведомо нельзя использовать в области очень малых пространственно-временных масштабов, где важны не учитываемые ею квантовые эффекты. Здесь космологическая модель Фридмана может приводить к парадоксальным результатам, например, к выводу о рождении Вселенной “из ничего” — из абсолютной, безразмерной точки.
Концепция «Большого взрыва»
Составной частью модели расширяющейся Вселенной является представление о Большом Взрыве, происшедшем где-то примерно 12 — 18 млрд. лет назад. Джордж Лемер был первым, кто выдвинул концепцию «Большого взрыва» из так называемого «первобытного атома» и последующего превращения его осколков в звезды и галактики. Конечно, со стороны современного астрофизического знания данная концепция представляет лишь исторический интерес, но сама идея первоначального взрывоопасного движения космической материи и ее последующего эволюционного развития неотъемлемой частью вошла в современную научную картину мира.
Читать онлайн
книги о тайнах и загадках истории, а также о необъяснимых явлениях на нашем сайте
Источник
Как устроена Вселенная. Часть I.
Невозможно представить, насколько ниже в
своем развитии оказалось бы человечество,
если бы оно никогда не видело звездного неба.
Анри Пуанкаре.
Нестационарная Вселенная Фридмана.
Идея о том, что рождение Вселенной началось с взрыва, была высказана российским ученым Александром Фридманом. В 1922 году журнал «Zeitschrift fur Physik» опубликовал статью «О кривизне пространства», автором которой оказался петербургский математик Фридман- имя это мало что говорило физикам-теоретикам Запада.
Хотя Александр Александрович Фридман к началу 20-х годов вовсе не был безвестным начинающим ученым. Просто он ранее никогда не занимался теоретической физикой, поскольку являлся крупным специалистом по теоретической метеорологии, динамике атмосферы и весьма известным математиком.
Он отличался невероятной дотошностью, умением глубоко проникать в суть изучаемого предмета, влезать в его тонкости. Не случайно, когда Фридман заинтересовался теорией относительности, его друзья заявили: «Теперь мы будем, наконец, знать теорию относительности».
Несмотря на неизвестность автора в кругу физиков-теоретиков, статья сразу же обратила на себя внимание. И не удивительно. В скромном по объему сообщении утверждалось, что кривизна нашего пространства должна изменяться, и стационарная Вселенная, которую отстаивал Эйнштейн, невозможна
Давайте вспомним. Вселенная Ньютона была бесконечной и населенной бесконечным количеством звезд. Такой подход Ньютона понятен; если бы число звезд было конечным, то, по расчетам, сила взаимного притяжения стянула бы их воедино в гигантский звездный клубок.
В модели Вселенной Ньютона есть два парадокса, необъяснимых с точки зрения его теории. Судите сами: если число звезд бесконечно, то они должны создавать яркую и равномерную освещенность неба. А этого на самом деле нет.
Кроме того, в бесконечной Вселенной само тяготение должно возрастать бесконечно, и это должно вызвать огромные скорости движения звезд. А на опыте ничего подобного не наблюдалось.
Ньютон обнаружил эти несоответствия в своей модели, но решил эту проблему достаточно просто, придя к выводу, что Бог всегда присутствует во Вселенной и исправляет эти несообразности [1].
Пытаясь понять, что представляет собой Вселенная, Эйнштейн столкнулся с теми же трудностями, которые рождает бесконечность. В своей работе «Вопросы космологии и общая теория относительности» он пишет: «Мне не удалось установить граничные условия для пространственной бесконечности… Если бы можно было рассматривать мир в его пространственной протяженности как замкнутый, то подобного рода граничные условия были бы вообще не нужны» [2].
Натолкнувшись на идею конечной Вселенной, Эйнштейн все свои силы сосредоточил на поиски доказательств правильности – или хотя бы возможности — ее существования.
Чтобы избавиться от пороков бесконечности, Эйнштейн заменил бесконечную «плоскую» ньютонову Вселенную конечной. Конечное пространство по необходимости должно быть замкнутым и искривленным, подобно тому, как обязательно искривлена любая замкнутая поверхность.
Далее Эйнштейн предположил, что средняя плотность материи во Вселенной постоянна и настолько велика, что обеспечивает положительную кривизну. Надо сказать, что только при положительной кривизне пространство замкнуто и конечно.
Исходя из факта малых звездных скоростей, Эйнштейн предположил, что Вселенная должна быть стационарной, что ее структура и кривизна не должны меняться со временем.
Однако из его теории вытекала новая проблема: под действием гравитационных сил замкнутая Вселенная должна сжиматься. Получалось, что, избавляясь от неприятностей, связанных с бесконечностью Вселенной, Эйнштейн наткнулся на неприятности, вызванные именно конечностью, замкнутостью нашего мира.
Чтобы выйти из трудного положения, и сохранить стационарность Вселенной, Эйнштейн был вынужден ввести в свои уравнения поля тяготения так называемый космологический член. Иными словами, он ввел новую «антигравитационную силу», которая удерживает звезды на расстоянии друг от друга и препятствует стягиванию Вселенной. Поддерживает стационарность Вселенной.
«Не от хорошей жизни» ввел он эту постоянную. «Для того, чтобы придти к этому свободному от противоречий представлению, мы должны были все же ввести новое расширение уравнений поля тяготения, не оправдываемое нашими действительными знаниями о тяготении» [2].
Ему была необходимо стационарность Вселенной. Поэтому он утверждал, что пространство-время само по себе всегда расширяется и этим расширением уравновешивается притяжение всей остальной материи во Вселенной, так что в результате Вселенная оказывается статической.
Вселенная.
С большим трудом, преодолевая огромные препятствия, Эйнштейн, наконец, построил модель мира, которая достаточно хорошо отражала мир реальный. Во всяком случае, в известных тогда науке границах.
И вот теперь какой-то Фридман заявляет, что Вселенная нестационарна.
А что, собственно, сделал Фридман?
Оказывается, он нашел общее решение системы уравнений тяготения, и пришел к выводу: Вселенная нестационарна, ее кривизна меняется. Решение Эйнштейна является лишь частным случаем.
Решение Фридмана открывало две возможности: монотонное в одном направлении, например, непрерывное расширения, или периодическое возрастание и уменьшение кривизны. Во втором случае Вселенная, словно сердце, должна была то расширяться, то сжиматься.
Прочитав статью Фридмана, Эйнштейн тот час же отреагировал на нее, написав ответ под названием «Замечания к работе А. Фридмана». Он писал: «Результаты относительно нестационарного мира , содержащиеся в упомянутой работе, представляются мне подозрительными».
Фридман устоял перед силой авторитета. Он заново произвел все вычисления, причем решил систему уравнений без всяких упрощений и дополнительных космологических членов, и попросил своего товарища, физика Краткова, ехавшего в Берлин, передать их Эйнштейну.
Спустя несколько месяцев в том же журнале появилась еще одна маленькая заметка. Вот она целиком. «К работе А. Фридмана “О кривизне пространства”. В предыдущей заметке я подверг критике названную выше работу. Однако, моя критика, как я убедился из письма Фридмана, сообщенного мне господином Крутковым, основывалась на ошибке в вычислениях. Я считаю результаты г. Фридмана правильными, и проливающими новый свет. Оказывается , что уравнения поля допускают наряду со статическими также и динамические (т.е. переменные относительно времени) центрально-симметричные решения для структуры пространства» [3].
Эйнштейн не был бы Эйнштейном, не появись этого публичного признания своей неправоты.
Но вернемся к нестационарной Вселенной Фридмана. В своих исследованиях Фридман сделал исходное предположение: Вселенная одинакова во всех направлениях и остается таковой, откуда бы мы ее ни рассматривали. Долгое время считалось, что предположение об одинаковости Вселенной является грубым приближением к реальной Вселенной. В модели Фридмана все галактики удаляются друг от друга. Это вроде бы как надутый шарик, на который нанесены точки, и если его все больше надувать, расстояние между точками увеличивается. При этом ни одну из точек нельзя назвать центром расширения.
Словом, Фридман в 1922 году доказал, что Вселенная не должна быть статической. Это произошло за несколько лет до открытия Хаббла.
В 1924 году американский астроном Эдвин Хаббл показал, что наша Галактика не является единственной. Существует много галактик, разделенных огромными областями пустого пространства. Если бы наблюдатель увидел нашу Галактику извне, то он обнаружил бы, что она имеет вид спирали и медленно вращается. Звезды в ее спиральных рукавах делают примерно один оборот вокруг ее центра каждые несколько сотен миллионов лет. Наше Солнце представляет собой обычную желтую звезду средней величины, расположенную на внутренней стороне одного из спиральных рукавов.
Продолжив свои исследования, в 1929 году Хаббл, фотографируя спектры далеких галактик, получил неопровержимые доказательства того, что Вселенная расширяется. Это открытие Хаббла явилось триумфом Фридмана, до которого Фридман не дожил, скончавшись от холеры в 1925 году в возрасте 36 лет.
Сегодня известно, что Вселенная расширяется за каждую тысячу миллионов лет на 5-10%. Все галактики удаляются от нас, причем, чем дальше находится галактика, тем быстрее она удаляется.
Открытие расширяющейся Вселенной было одним из великих интеллектуальные переворотов двадцатого века.
Лауреат Нобелевской премии физик-теоретик Стивен Хокинг пишет: «Имеющиеся данные говорят о том, что Вселенная, вероятно, будет расширяться вечно. Единственное, в чем можно быть совершенно уверенным, так это в том, что если сжатие Вселенной все-таки произойдет, то никак не раньше, чем через десять миллионов лет, ибо, по крайней мере, столько времени она уже расширяется. Но это не должно нас тревожить: к тому времени, если мы не переселимся за пределы Солнечной системы, человечества давно уже не будет — оно угаснет вместе с Солнцем» [4].
В соответствии с теорией Фридмана, которая дает удивительно точное описание нашей Вселенной, пространство-время, наполненное чрезвычайно плотной материей, появилось в результате чудовищного взрыва из точки и начало неудержимо расширяться.
1. Тихоплав В.Ю., Тихоплав Т.С. «Научно-эзотерические основы Мироздания». лекция № 11
2.Эйнштейн А. Сборник научных трудов. Т.I-IV.: Наука, 1966.
3. Ливанова А.Три судьбы постижения мира М.: Знание, 1969.
4.Хокинг С. Краткая история времени. СПб.: Амфора, 2005.
Источник
Модели нестационарной Вселенной
В 1922 г. советский ученый А. А. Фридман разработал первую нестационарную модель Вселенной, которая также была основана на уравнениях общей теории относительности. Работы Фридмана остались в то время незамеченными, а А. Эйнштейн отвергал возможность расширения Вселенной. Тем не менее, уже в 1929 г. астроном Эдвин Хаббл открыл, что галактики, находящиеся рядом с Млечным путем, удаляются от него, а скорость их движения при этом все время остается пропорциональной расстоянию до нашей галактики. Согласно этому открытию, звезды и галактики постоянно «разбегаются» друг от друга, а следовательно, происходит расширение Вселенной. В итоге Эйнштейн согласился с выводами Фридмана, а позднее говорил, что именно советский ученый стал основателем теории расширяющейся Вселенной. Эта теория не находится в противоречии с общей теорией относительности, но если Вселенная расширяется, то должно было произойти некое событие, приведшее к разбеганию звезд и галактик. Это явление очень напоминало взрыв, поэтому ученые и назвали его «Большим взрывом». Астрономы употребляют термин «Большой взрыв» в двух взаимосвязанных значениях. С одной стороны этим термином называют само событие, ознаменовавшее зарождение Вселенной около 15 миллиардов лет назад; с другой — весь сценарий ее развития с последующим расширением и остыванием. Однако, как считал Фридман, если Вселенная появилась в результате Большого взрыва, то должна существовать Высшая первопричина (или Конструктор), позволяющая этому взрыву произойти. Этот вывод является убедительным лишь при эмпирическом подходе к действительности. Фундаментальные философские картины мира обходятся без допущения чьей-либо воли (Бога-творца либо абсолютной идеи).
Модель расширяющейся Вселенной вскоре получила экспериментальное подтверждение. Американский астроном и астрофизик Э. Хаббл обнаружил, что расстояние между галактиками увеличивается, т.е. они «разбегаются». Скорость «разбегания» Хаббл измерял по «красному смещению» в спектрах излучения галактик.
Расчеты Хаббла подтвердили гипотезу о расширении видимой части Вселенной.
Теория Большого взрыва строится на том, что все сущее во Вселенной ранее находилось в сингулярном состоянии, т.е. в состоянии, характеризующемся бесконечной температурой, плотностью и давлением. В состоянии сингулярности не действует ни один современный закон физики, пространство сингулярности сосредотачивалось в микроскопически малой частичке, которая в какой-то момент времени пришла в нестабильное состояние, в результате чего и произошел Большой взрыв. Изначально теория Большого взрыва носила название «динамическая эволюционирующая модель». Термин «Большой взрыв» получил широкое распространение в 1949 г. после публикации работ ученого Ф. Хойла. На данный момент теория Большого взрыва разработана настолько хорошо, что ученые берутся описать процессы, которые начали происходить во Вселенной через 10 —43 сек. после Большого взрыва. Существует несколько доказательств теории Большого взрыва, одним из которых является реликтовое излучение, пронизывающее всю Вселенную и возникшее в результате Большого взрыва благодаря взаимодействию частиц. Реликтовое излучение может рассказать о первых микросекундах после рождения Вселенной, о тех временах, когда она находилась в горячем состоянии, а галактики, звезды и планеты еще не образовались. Изначально реликтовое излучение также было только теорией, и вероятность его существования рассматривал Г. А. Гамов в 1948 году. Измерить реликтовое излучение и доказать действительность его существования смогли только в 1964 г. американские ученые благодаря новому прибору, который обладал необходимой точностью. На основе реликтового излучения исследовались разные сегменты космоса с помощью наземных и космических обсерваторий, что позволило увидеть, какой была Вселенная в момент своего рождения.
Еще одним подтверждением Большого взрыва является космологическое красное смещение, которое заключается в уменьшении частот излучения, что доказывает удаление звезд и галактик друг от друга вообще (разбегание галактик), и от Млечного пути в частности. Теория Большого взрыва ответила на множество вопросов о возникновении нашей Вселенной, но и вместе с тем стала причиной появления новых загадок, которые остаются без ответов и сейчас. Например, что же стало причиной Большого взрыва, почему точка сингулярности стала нестабильной, что было до Большого взрыва, как появилось время и пространство?
Из чего образовалась Вселенная? Религия отвечает на этот вопрос – из «ничего». В научной терминологии «ничто» – это вакуум.
В ХIХ в. под вакуумом в физике понимали пустоту, сегодня вакуум – это форма материи, способная при определенных условиях порождать вещественные частицы. «Пустой» вакуум оказывается заполненным определенными частицами. Можно ли их назвать виртуальными? В любом случае вакуум не безжизнен и безлик, а полон энергии.
Еще одним загадочным объектом космоса является т.н. черное тело и его излучение. В 1964 году американские физики Арно Пензиас и Роберт Уилсон обнаружили, что Вселенная наполнена электромагнитным излучением в микроволновом диапазоне частот. Последовавшие измерения показали, что это характерное классическое излучение черного тела, свойственное объектам с температурой около –270°С (3 К), т. е. всего на три градуса выше абсолютного нуля.
Простая аналогия поможет вам интерпретировать этот результат. Представьте, что вы сидите у камина и смотрите на угли. Пока огонь горит ярко, угли кажутся желтыми. По мере затухания пламени угли тускнеют до оранжевого цвета, затем до темно-красного. Когда огнь почти затух, угли перестают испускать видимое излучение, однако, поднеся к ним руку, вы почувствуете жар, что означает, что угли продолжают излучать энергию, но уже в инфракрасном диапазоне частот. Чем холоднее объект, тем ниже излучаемые им частоты и больше длина волн (см. Закон Стефана—Больцмана). По сути, Пензиас и Уилсон определили температуру «космических углей» Вселенной после того, как она остывала на протяжении 15 миллиардов лет: ее фоновое излучение оказалось в диапазоне микроволновых радиочастот.
Все эти нерешенные проблемы свидетельствуют о том, что теория Большого взрыва неполна. Долгое время казалось, что продвинуться далее уже невозможно. Только в 80-х годах XX века благодаря работам российских физиков Э. Глинера и А. Старобинского, а также американца А. Гуса было описано новое явление — сверх-быстрое инфляционное расширение Вселенной. Описание этого явления основывается на хорошо изученных разделах теоретической физики — общей теории относительности Эйнштейна и квантовой теории поля. Сегодня считается общепринятым, что именно такой период, получивший название «инфляция», предшествовал Большому взрыву.
Согласно теории Большого взрыва, дальнейшая эволюция зависит от экспериментально измеримого параметра — средней плотности вещества в современной Вселенной. Если плотность не превосходит некоторого (известного из теории) критического значения, Вселенная будет расширяться вечно, если же плотность больше критической, то процесс расширения когда-нибудь остановится и начнётся обратная фаза сжатия, возвращающая к исходному сингулярному состоянию. Современные экспериментальные данные относительно величины средней плотности ещё недостаточно надёжны, чтобы сделать однозначный выбор между двумя вариантами будущего Вселенной.
Есть ряд вопросов, на которые теория Большого взрыва ответить пока не может, однако основные её положения обоснованы надёжными экспериментальными данными, а современный уровень теоретической физики позволяет вполне достоверно описать эволюцию такой системы во времени, за исключением самого начального этапа — порядка сотой доли секунды от «начала мира». Для теории важно, что эта неопределённость на начальном этапе фактически оказывается несущественной, поскольку образующееся после прохождения данного этапа состояние Вселенной и его последующую эволюцию можно описать вполне достоверно.
Структура Вселенной
Человечеству недоступно для обозрения 85% объема Вселенной, как это установлено после запуска в космическое околоземное пространство электронного телескопа «Хаббл»: оказывается, на 85% Вселенная состоит из так называемого «темного вещества», которое не испускает излучения достаточной для наблюдения интенсивности, но оказывает гравитационное влияние на излучение отдаленных галактик. Неудивительно, что вопросы состава и природы возникновения этого вещества до сих пор вызывают ожесточенные споры. Строение этого прежде неизвестного вещества пока никак не изучено. Заметим, что на Земле частицы темного вещества также еще не были зарегистрированы, хотя результаты отдельных экспериментов на Большом адронном коллайдере дают повод говорить об этом.
Уже исследованная часть Вселенной дает нам возможность представить ее структуру следующим образом:
Метагалактика – совокупность звездных систем – галактик. Для Метагалактики характерна ячеистая (сетчатая, пористая) структура. Галактики в ней распределены не равномерно, а по границам ячеек, внутри которых галактик почти нет.
Возраст Метагалактики близок к возрасту Вселенной и составляет приблизительно 15 млрд лет.
Галактики – гигантские системы, состоящие из скоплений звезд и туманностей.
По форме галактики делятся на три типа:
Эллиптические галактики наиболее простые по структуре: распределение звезд в них равномерно убывает от центра.
Спиральные галактики – в форме спирали, включают в себя спиральные ветви. Это самый многочисленный тип галактик, к которому относится и наша Галактика – Млечный путь.
Неправильные галактики составляют примерно 5% всех галактик. У этих галактик отсутствует симметрия формы, а также они характеризуются мощным радиоизлучением. Это радиогалактики. Все галактики излучают в радиодиапазоне с большим различием по мощности. Светимость радиогалактик в радиодиапазоне сравнима со светимостью в оптическом диапазоне.
Эллиптические и спиральные галактики называются еще «правильными». Они включают в себя горячие и яркие звезды и состоят из центрального ядра и сферической периферии (в виде спиральных ветвей или эллиптического диска).
В ядре сосредоточены самые старые звезды, возраст которых равен возрасту галактики. Звезды среднего и молодого возраста расположены в диске галактики.
Звезды и туманности вместе с галактикой принимают участие в расширении Вселенной и участвуют во вращении галактики вокруг оси.
Звезды.
Современная Вселенная содержит видимое вещество преимущественно в звездном состоянии. 97% видимой массы в нашей Галактике сосредоточено в звездах, которые представляют собой гигантские плазменные образования различной величины, температуры, с разной характеристикой движения. По современным оценкам динамическая (скрытая) масса скоплений галактик (как мы уже говорили) в десятки раз превосходит видимую массу. Вероятным носителем скрытой массы является нейтрино.
Возраст звезд меняется от 15 млрд лет до сотен тысяч (самые молодые звезды).
Есть звезды, которые сегодня находятся в протозвездной стадии, т.е. они еще не стали настоящими звездами.
Рождение звезд происходит в газово-пылевых туманностях под действием гравитационных, магнитных и других сил, причем рождается не отдельная звезда, а звездные ассоциации.
Основная эволюция вещества во Вселенной происходила и происходит в недрах звезд, водород превращается в гелий, при этом выделяется огромное количество энергии, уносимой излучением звезд. В итоге на завершающем этапе эволюции звезды превращаются в инертные «мертвые» звезды.
Источник